Тема курсовой работы: ПИРИМИДИНОВЫЕ И ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ, И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ. ЗНАЧЕНИЕ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ И ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА

1.1. Пуриновые основания  

1.2.Пиримидиновые основания 

2. МЕТАБОЛИЗМ ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ
ОСНОВАНИЙ

2.1. Биосинтез пуриновых оснований 

2.2. Биосинтез пиримидиновых оснований 

2.3. Распад пуриновых оснований 

2.4. Распад пиримидиновых оснований

3. ТОЧКОВЫЕ МУТАЦИИ 

4. ПАТОЛОГИЯ ОБМЕНА ПУРИНОВЫХ И
ПИРИМИДИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ  

5. ПРОИЗВОДНЫЕ ПУРИНА И ПИРИМИДИНА. И ИХ
РОЛЬ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА И РАСТЕНИЙ 

5.1. Пурины и их роль в организме
человека  

5.2. Значение пуриновых и пиримидиновых
оснований в жизнедеятельности растений 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Азотистые основания — это ароматические гетероциклические соединения, производные пиримидина или пурина. Пять соединений этого класса являются основными структурными компонентами нуклеиновых кислот, общими для всей живой материи. Пуриновые основания аденин и гуанин, а также пиримидиновое основание цитозин, входят в состав ДНК и РНК. В состав ДНК входит также тимин, 5-метил-производное урацила. Основание урацил входит только в состав РНК. В ДНК высших организмов в небольшом количестве присутствует 5-метилцитозин. Производные азотистых оснований присутствуют в тРНК и в других типах РНК.

Гетероциклические основания (пурины и пиримидины) являются исходными структурными элементами молекул нуклеозидов и нуклеотидов.
Пиримидиновые основания, пиримидины, группа природных соединений, производных гетероциклического азотистого основания пиримидина. Играют важнейшую роль в жизнедеятельности организмов, входя в состав нуклеиновых кислот. Пиримидиновые основания: цитозин (2-окси-б-аминопиримидин), урацил (2,6-диоксипиримидин), тимин (5-метилурацил) и в меньших количествах так называемые минорные основания (5-метилцитозин и др.), доля которых наиболее высока в транспортных рибонуклеиновых кислотах (тРНК). В РНК пиримидиновые основания связаны гликозидной связью с углеводом рибозой, а в дезоксирибонуклеиновых кислотах (ДНК) — с дезоксирибозой, образуя нуклеозиды. Монофосфорные эфиры нуклеозидов — нуклеотиды — основные структурные единицы нуклеиновых кислот. Содержание пиримидиновых оснований в ДНК равно содержанию пуриновых оснований; в РНК их обычно несколько меньше, чем пуриновых оснований («правила Чаргаффа»). Благодаря способности специфически (по принципу комплементарности) взаимодействовать с пуриновыми основаниями пиримидиновые основания участвуют в кодировании и передаче наследственной информации нуклеиновыми кислотами. Нуклеотиды, содержащие пиримидиновые основания, играют также важную роль в обмене углеводов (уридиндифосфат), лецитина (цитидиндифосфат). Биосинтез пиримидиновых оснований в клетках происходит в результате превращений производных оротовой кислоты.
Пуриновые основания, пурины, группа природных азотистых гетероциклических соединений, производных пурина. Пуриновые основания как в свободном состоянии, так и в составе более сложных соединений играют важнейшую роль в живой природе. Так, в состав нуклеиновых кислот входят пуриновые основания: аденин (6-аминопурин) и гуанин (2-амино-6-оксипурин), в меньшем количестве могут содержаться так называемые минорные пуриновые основания: 6-метиламинопурин и др. В рибонуклеиновых кислотах (РНК) пуриновые основания связаны гликозидной связью с рибозой, в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) — с дезоксирибозой через атом азота в 9-м положении пурина. Содержание пуриновые оснований в ДНК равно содержанию пиримидиновых оснований; в РНК пуриновых оснований обычно больше, чем пиримидиновых оснований. В нуклеиновых кислотах пуриновые основания и пиримидиновые основания осуществляют кодирование генетической информации и её реализацию в процессе биосинтеза белка. В биоэнергетике важную роль играют нуклеотиды, содержащие аденин: аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный участник обмена энергии в живых клетках. Гуанозинтрифосфорная кислота необходима для осуществления биосинтеза белков. Циклическая 3\', 5\'-аденозинмонофосфорная кислота (цАМФ) — важное звено в механизме гормональной регуляции. Пуриновые основания входят также в состав многих коферментов. К пуриновым основаниям относятся кофеин (1,3,7-триметил-2,6-диоксипурин; содержится в кофе и чае), теобромин (3,7-диметил-2,6-диоксипурин; содержится в плодах шоколадного дерева), гипоксантин, ксантин и др. Синтез пуриновыех оснований у высших организмов осуществляется главным образом, в печени в форме их нуклеотидов; универсальным промежуточным продуктом на последних стадиях этого процесса служит монофосфат инозина. Распад пуриновых оснований приводит у разных групп организмов к образованию различных конечных продуктов — мочевой кислоты, аллантоина, мочевины и др.
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ

1.1.ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ

Пиримидиновые основания, производные пиримидина, входящие в состав нуклеиновых кислот, нуклеотидов, коферментов и др. Канонические пиримидиновые основания цитозин (4-амино-2-пиримидон, сокращенно С), тимин (3-метил-пиримидин-2,4-дион, T) и урацил (пиримидин-2,4-дион, U); различные формы молекул.
Пиримидиновые основания (они существуют при разных значениях рН) показаны на схеме:

Кроме канонических пиримидиновых оснований в состав нуклеиновых к-т входят так называемые минорные пиримидиновые основания, главным образом замещенные по атому С-5-5-метил- и 5-гидроксиме-тилцитозин, 5-карбоксиметилурацил, а также 5,6-дигидро-урацил, N4-метилцитозин и др.
Специфичные наборы водородных связей между пиримидиновыми и пуриновыми основаниями в комплементарных участках цепей, а также межплоскостные взаимодействия между соседними основаниями в цепи определяют формирование и стабилизацию вторичной и третичной структуры нуклеиновых кислот. Последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований в полинуклеотидной цепи определяет генетическую информацию ДНК и матричных РНК. Модификация пиримидиновых оснований в полинуклеотидах под воздействием мутагенов может приводить к изменению информационного смысла (точковой мутации).
Пиримидиновые основания представляют собой высокоплавкие (т. плавл. 300 0C) бесцветные кристаллические соединения, умеренно растворяющиеся в горячей воде, не растворяющиеся в этаноле и диэтиловом эфире. Существуют в таутомерных формах (константы таутомерного равновесия 105), напр.:

Физические свойства пиримидиновых оснований:

Основание
Мол. м УФ спектры pKa
Форма молекулы

нм
Цитозин
111,1 катион
275 10,03 4,5-4,7;
нейтральная 268 6,09 12,1-12,3
анион
283 8,09
Урацил
112,1 нейтральная 258 8,20 9,35-9,50;
моноанион 282 5,90 13,9
дианион 273 7,17
Тимин
126,1 центральная 265 7,90 9,9; 13,9
моноанион 293 5,19
дианион 280 5,97

Наиболее характерные реакции пиримидиновых оснований с нуклеофилами - присоединение по связи C=C (гидросульфита, гидроксиламина, галогена и др.) и замещение экзоциклической аминогруппы цитозина (напр., реакции с гидроксиламинами, гидразинами). Последняя реакция значительно облегчается при насыщении связи C=C. Восстановление двойной связи C=C легко осуществляется путем каталитического гидрирования или действием NaBH4 при УФ облучении. Атом H у С-5 легко замещается на гидрокси- или аминометильную группу, галоген. При действии P2S5 один или оба атома О в урациле и тимине могут замещаться на атом S. При действии на цитозин HNO2 происходит его дезаминирование с образованием урацила.
Реакции пиримидиновых оснований с электрофоретическими реагентами (наиболее изучено алкилирование) идут преим. по атомам N-1 и N-3, в меньшей степени - по экзоциклической аминогруппе цитозина. В щелочной среде идет также алкилирование по атомам О. Довольно легко протекает ацилирование аминогруппы цитозина.
При радиолизе водных р-ров пиримидиновых оснований образуются 5,6-дигид-рокси-, 5-гидрокси-6-гидроперокси- и 5-гидроперокси-6-гидрокси-5,6-дигидропиримидины и продукты их дальнейших превращений. Действие УФ излучения (l > 200 нм) на водные растворы пиримидиновых оснований приводит к образованию 5,6-дигидро-6-гидроксипиримидинов (фотогидратов), циклобутановых димеров (через триплетное состояние) с раскрытием связей C=C, нециклобутановых димеров пиримидиновых оснований (через нижнее синглетное возбужденное состояние). Фотогидраты спонтанно превращаются в исходные соединения, а циклобутановые димеры дедимеризуются фотохимически.
Различие реакционной способности пиримидиновых оснований позволяет избирательно модифицировать их в составе полинуклеотидов. Такие реакции лежат в основе определения нуклеотидной последовательности (первичной структуры) нуклеиновых кислот. Взаимодействие с соседними основаниями, зависящие от локальной высшей структуры полинуклеотидов, оказывают влияние на скорость модификации пиримидиновых оснований при действии различных агентов. В связи с этим сопоставление относительных скоростей модификации пиримидиновых оснований используется для изучения вторичной и третичной структуры нуклеиновых кислот.
Как канонические, так и минорные пиримидиновые основания обычно получают препаративно из нуклеиновых кислот путем кислотного гидролиза и последнего разделения.

1.2. ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ

Пуриновые основания, природные производные пурина. Входят в качестве агликонов (неуглеводного компонента) в нуклеиновые кислоты, нуклеозиды, нуклеотиды; фрагменты коферментов, витаминов и др. Канонические пуриновые основания нуклеиновых кислот -аденин (6-аминопурин, сокращенно А) и гуанин (2-амино-6-пуринон, G). Различные формы молекул пуриновых оснований, которые существуют при разных значениях рН, и таутомерные формы показаны на схеме:

Кроме канонических пуриновых оснований в состав нуклеиновых кислот входят так называемые минорные пуриновые основания, главным образом метилированные по экзоциклической аминогруппе и по атомам N гетероцикла. Эти основания образуются ферментативно в составе полинуклеотидов и играют важную роль в регуляции репликации и транскрипции, в защите клеток от чужеродных ДНК) и системы трансляции от действия антибиотиков и др.
Образование специфических водородных связей пуриновых оснований с пиримидиновыми основаниями в комплементарных участках цепей нуклеиновых кислот, как и межплоскостные взаимодействия, между соседними основаниями в полинуклеотидной цепи, определяют формирование вторичной и третичной структур нуклеиновых кислот. В комплементарных участках помимо канонических пар пуриновых оснований с пиримидиновыми основаниями (А-Т и G-С; Т и С-соотв. цитозин и тимин) могут образовываться неканонические пары (G-G, G-A, G-T и др.).
Последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований в полинуклеотидной цепи определяет генетическую информацию, заключенную в ДНК, вирусных и матричных РНК.

Пуриновые основания представляют собой высокоплавкие (т. пл. > 250 °С), бесцветные кристаллические соединения, плохо растворяющиеся в горячей воде (особенно гуанин), не растворяющиеся в этаноле и диэтиловом эфире. Содержание редких таутомерных форм (иминотаутомеры А и G по С-6 и С-2 соответственно, енольного таутомера G по С-6) не превышает в нормальных условиях 10-3%. Протонирование и депротонирование пуриновых оснований сопровождается изменениями УФ спектров поглощения (см. табл.) и реакционной способности.
Хорошо изучены реакции ацилирования и дезаминирования экзоциклических аминогрупп пуриновых оснований действием азотистой кислоты и замещение аминогруппы аденина при действии гидроксиламинов. Алкилирование пуриновых оснований идет по атомам N циклов (реакционная способность уменьшается в ряду: N-9 > N-7 > N-3 > N-1), по экзоциклическим аминогруппам и по атому О-6 гуанина. Возможно прямое галогенирование по атому С-8. При действии органических надкислот на аденин образуются N-оксиды по атомам N имида - зольного цикла. При действии формальдегида образуются N-метилольные соединения. Хлор- и бромацетальдегид избирательно реагирует с аденином, образуя так называемые этеноаденин в результате взаимодействия альдегидной группы с аминогруппой аденина и последующего N-1 алкилирования с участием атома С реагента. Глиоксаль и кетоксаль избирательно реагируют с гуанином, образуя третий гетероцикл в результате реакций карбонильных групп агента с экзоциклической аминогруппой и атомом N-1. Скорости всех этих реакций весьма существенно зависят от локальных особенностей высшей структуры полинуклеотида, что широко используют для изучения вторичной и третичной структур нуклеиновых кислот. Канонические и минорные пуриновые основания могут быть получены препаративно из нуклеиновых кислот путем кислотного гидролиза и последнего разделения. Гуанин в больших количествах получают из рыбьей чешуи.

2. МЕТАБОЛИЗМ ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ

2.1. БИОСИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ

Пуриновые основания, образующиеся в процессе переваривания нуклеиновых кислот в кишечнике, в дальнейшем практически не используются, поэтому их синтез осуществляется из низкомолекулярных предшественников, продуктов обмена углеводов и белков. Впервые работами Дж. Бьюкенена, Дж. Гринберга экспериментально доказано включение ряда меченых атомов, в частности 15N- и 14С-глицина, 15N-аспартата, 15N-глутамина и др., в пуриновое кольцо мочевой кислоты. Скармливая птицам эти и другие меченые соединения, Дж. Бьюкенен анализировал места включения метки в пуриновое кольцо; полученные данные были в дальнейшем уточнены и подтверждены рядом других исследователей. Результаты этих исследований можно представить в виде схемы:

Из схемы видно, что 4-й и 5-й атомы углерода и 7-й атом азота в ядре имеют своим источником глицин. Два атома азота (N-3 и N-9) происходят из амидной группы глутамина, один атом азота (N-1) – из азота аспарагиновой кислоты; углеродный атом (С-2) происходит из углерода N10-формил-ТГФК, атом углерода в 8-м положении – из N5,N10-метенил-ТГФК и, наконец, углерод С-6 имеет своим источником СО2.
В настоящее время благодаря исследованиям Дж. Бьюкенена, Дж. Гринберга, А. Корнберга полностью расшифрована последовательность включения перечисленных веществ в пуриновое кольцо, установлена природа всех промежуточных соединений и ферментных систем, катализирующих химические реакции синтеза. Интересным оказался факт почти полного совпадения путей синтеза пуриновых оснований в печени животных и у микроорганизмов, в частности у Е. coli и Neurospora crassa. Следует, однако, отметить, что конечным результатом синтеза оказалось не свободное пуриновое основание, а рибонуклеотид – инозиновая кислота (ИМФ), из которой далее синтезируются АМФ и ГМФ. На схеме представлена последовательность всех 11 химических реакций этого синтеза с указанием ферментных систем, коферментов, источников энергии и других известных к настоящему времени кофакторов.
Как видно из приведенной схемы, синтез инозиновой кислоты начинается с D-рибозо-5-фосфата, который, как известно, является продуктом пентозофосфатного цикла и на который переносится в необычной реакции пирофосфатная группа АТФ. Образовавшийся 5-фосфорибозил-1-пирофос-фат (ФРПФ) взаимодействует с глутамином, являющимся донором NH2-группы, в результате чего образуется β-5-фосфорибозиламин, причем в процессе реакции наряду с освобождением пирофосфата и свободной глутаминовой кислоты происходит изменение его конфигурации (из α- в β-). Таким образом, данная стадия становится ключевой реакцией в синтезе пуринов. На следующей стадии присоединяется вся молекула глицина к свободной NH2-группе β-5-фосфорибозил-амина (реакция нуждается в доставке энергии АТФ) с образованием глицинамидрибонуклеотида. Затем, на следующей стадии, цепь удлиняется за счет присоединения формильной группы из N5,N10-метенил-ТГФК с образованием формилглицинамидрибонуклеотида. На формильную группу последнего переносится далее амидная группа глутамина и синтезируется формилглицинамидинрибонуклеотид (реакция также идет с потреблением энергии АТФ). На следующей стадии замыкается пятичленное имидазольное кольцо и образуется 5-аминоимидазолрибонуклеотид, который способен акцептировать СО2 с образованием рибонуклеотида 5-аминоимидазол-4-карбоновой кислоты.

В последующем двухступенчатом процессе, в котором участвуют аспарагиновая кислота и АТФ, образуется 5-аминоимидазол-4-карбоксамид-рибонуклеотид и освобождается фумаровая кислота. В этих реакциях азот аспарагиновой кислоты включается в 1-е положение будущего пуринового ядра. Последний углеродный атом пиримидинового остатка кольца пурина вводится в виде формильного остатка (источник N10-формил-ТГФК), который присоединяется к 5-NH2-группе. После этого отщепляется молекула воды и второе кольцо замыкается. В результате образуется первый пуриновый нуклеотид – инозиновая кислота (ИМФ), которая является предшественником пуриновых нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот.
АМФ и ГМФ образуются из ИМФ, причем в синтезе обоих мононуклеотидов участвуют по два фермента, различных по своему механизму действия. Образование ГМФ из ИМФ катализируют ИМФ-дегидрогеназа и ГМФ-синтетаза, а образование АМФ из того же предшественника катализируется последовательным действием аденилосукцинатсинтетазы и аденилосукцинатлиазы. Механизм двухэтапного синтеза АМФ и ГМФ можно представить в виде химических реакций.

В ферментативном синтезе АМФ из ИМФ специфическое участие принимает аспарагиновая кислота, являющаяся донором NH2-группы, и ГТФ в качестве источника энергии; промежуточным продуктом реакции является аденилоянтарная кислота. Биосинтез ГМФ, напротив, начинается с де-гидрогеназной реакции ИМФ с образованием ксантозиловой кислоты; в аминировании последней используется только амидный азот глутамина.
Превращение АМФ и ГМФ в соответствующие нуклеозидди- и нуклео-зидтрифосфаты также протекает в 2 стадии при участии специфических нуклеозидмонофосфат- и нуклеозиддифосфаткиназ :

ГМФ + АТФ <=> ГДФ + АДФ; ГДФ + АТФ <=> ГТФ + АДФ.

Следует указать на существование в клетках весьма тонкого механизма регуляции синтеза пуриновых нуклеотидов. Синтез их тормозится конечными продуктами по принципу обратной связи, т.е. ингибированием первой стадии переноса аминогруппы глутамина на ФРПФ. Фермент, катализирующий эту стадию, оказался аллостерическим регуляторным ферментом. Вторая особенность механизма регуляции заключается в том, что избыток ГМФ в клетках оказывает аллостерическое торможение только на свой собственный синтез, не влияя на синтез АМФ, и, наоборот, накопление АМФ подавляет свой синтез, не ингибируя синтеза ГМФ.