18_Zasady_azotowe_i_nukleotydy.pdf

18. ZASADY AZOTOWE

I NUKLEOTYDY

Iwona ś ak

Zasady azotowe nale Ŝą do dwóch grup zwi ą zków heterocyklicznych, piry-

midyn i puryn.

Pirymidyna jest przedstawicielem diazyn, czyli sze ś cioczłonowych aroma-

tycznych heterocykli, które zawieraj ą dwa atomy azotu w pier ś cieniu, zajmuj ą ce

pozycje 1 i 3.

H C

C H

pirymid yna

który odpowiedzialny jest za aromatyczno ść pier ś cienia pirymidynowego. Podob-

nie, oba atomy azotu pirymidyny maj ą hybrydyzacj ę sp 2 i ka Ŝ dy z nich oddaje do

sekstetu elektronów

. Ka Ŝ dy atom w ę gla dostarcza ten elektron do sekstetu elektronów

po jednym elektronie na orbitalu p . Wolna para elektronowa

zajmuj ą ca zhybrydyzowany orbital sp 2 w obu atomach azotu usytuowana jest

w płaszczy ź nie pier ś cienia. Obie wolne pary elektronowe nie s ą zaanga Ŝ owane

w oddziaływania z orbitalami p , lecz odpowiedzialne za charakter zasadowy pier-

ś cienia pirymidynowego.

Wa Ŝ nymi pochodnymi pirymidyny s ą zasady azotowe wyst ę puj ą ce w kwa-

sach nukleinowych, mianowicie cytozyna, tymina i uracyl.

Tautomeria keto-enolowa, wynikaj ą ca z przemieszczania si ę protonów H,

sprawia, Ŝ e zasady pirymidynowe wyst ę puj ą w ró Ŝ nych postaciach tautomerycz-

nych, mianowicie w formie laktamu (posta ć ketonowa, =O) lub laktymu (posta ć

enolowa, -OH).

W warunkach fizjologicznych dominuj ą c ą ilo ś ciowo postaci ą tautomeryczn ą

tyminy i uracylu jest laktam, natomiast cytozyny laktym.

307

W pirymidynie ka Ŝ dy z czterech atomów w ę gla o hybrydyzacji sp 2 ma tak Ŝ e

niezhybrydyzowany orbital p , prostopadły do płaszczyzny pier ś cienia z jednym

elektronem

Mutagenny efekt tautomerii zasad pirydynowych wynika z faktu, Ŝ e laktym

tyminy tworzy komplementarn ą par ę z guanin ą , a nie z adenin ą .

NH 2

CH 3

laktam

NH 2

CH 3

laktym

cytozyna [Cyt]

uracyl [Ura]

tymina [Thy]

Zmodyfikowane zasady pirymidynowe, np. metylowane, wyst ę puj ą w kwa-

sach nukleinowych zarówno u prokariota, jak i eukariota, w tym tak Ŝ e u człowie-

ka (np. 5-metylocytozyna), niektóre obecne s ą tylko u wirusów np. 5-hydroksyme-

tylocytozyna.

NH 2

CH 3

CH 2 OH

5-metylocytozyna

5-hydroksymetylocytozyna

Puryny zawieraj ą pier ś cie ń pirymidynowy skondensowany z pier ś cieniem

imidazolowym. W pi ę cioczłonowym heterocyklicznym pier ś cieniu imidazolowym

z dwoma atomami azotu, jeden z nich (N7) jest zasadowy ze wzgl ę du na obecno ść

wolnej pary elektronowej, która nie wchodzi do aromatycznego sekstetu elektro-

nów

puryna

308

, ten atom azotu mo Ŝ e by ć uprotonowany. Drugi atom azotu pier ś cienia imi-

dazolowego (N9) nie jest zasadowy, poniewa Ŝ jego wolna para elektronowa wcho-

, podobnie jak atom azotu w pier ś cieniu pirolo-

wym. W przyrodzie puryna nie wyst ę puje w wolnej postaci, lecz głównie w formie

aminowych i ketonowych (lub hydroksylowych) pochodnych. Grupy aminowe

przył ą czone do aromatycznego pier ś cienia purynowego zachowuj ą si ę podobnie

jak grupy aminowe aminokwasów, mog ą przechodzi ć w form ę kationow ą po przy-

ł ą czeniu jonu H + .

Najwa Ŝ niejsze główne zasady purynowe to adenina i guanina, które s ą obec-

ne we wszystkich kwasach nukleinowych. W niektórych mo Ŝ e wyst ę powa ć rów-

nie Ŝ hipoksantyna, b ę d ą ca jednocze ś nie metabolitem po ś rednim przemian adeniny.

NH 2

laktym

laktam

H 2 N

laktam

laktym

H 2 N

adenina [Ade]

guanina [Gua]

hipoksantyna [Hyp]

W warunkach fizjologicznych głównymi formami tautomerycznymi guaniny

i hipoksantyny s ą tautomery laktamowe, natomiast dominuj ą c ą form ą adeniny jest

laktym. Laktamowa forma tautomeryczna adeniny tworzy par ę z cytozyn ą , co mo-

Ŝ e le Ŝ e ć u podło Ŝ a mutagenezy.

Ksantyna jest metabolitem po ś rednim przemian guaniny oraz adeniny, po-

wstaje z niej kwas moczowy, ko ń cowy produkt katabolizmu puryn u człowieka.

Jest on obecny w moczu człowieka i zwierz ą t mi ę so Ŝ ernych. Kwas moczowy

i ksantyna s ą bardzo trudno rozpuszczalne w wodzie, szczególnie w roztworach

o niskich warto ś ciach pH, jakie panuj ą w moczu, dlatego zwi ą zki te mog ą by ć

składnikami kamieni moczowych. W ś rodowisku alkalicznym kwas moczowy two-

rzy moczany, czyli sole kwasu moczowego. Moczany sodowe s ą rozpuszczalne

w roztworach wodnych, równie Ŝ o odczynie oboj ę tnym, a podwy Ŝ szone ich st ęŜ e-

nie w pewnych stanach patologicznych (dna moczanowa) prowadzi do odkładania

ich w stawach i ś ci ę gnach.

309

dzi w skład sekstetu elektronów

ksantyna

kwas moczowy

W kwasach nukleinowych, zarówno pochodzenia eukariotycznego, jak i pro-

kariotycznego, wyst ę puj ą zmodyfikowane zasady purynowe, głównie metylowane.

CH 3

H 3 C

CH 3

H 3 C

H 2 N

H 3 C

2-dimetyloguanina

N 7 -metyloguanina

N 6 ,N 6 -dimetyloadenina

Reakcje metylowania zasad azotowych u prokariota s ą jednym z wa Ŝ niej-

szych elementów systemu zabezpieczaj ą cego DNA przed negatywnymi skutkami

działania endogennych enzymów restrykcyjnych.

Metylowane puryny s ą obecne u ro ś lin, równie Ŝ poza kwasami nukleino-

wymi jako tzw. zasady ro ś linne (alkaloidy). Nale Ŝą do nich mi ę dzy innymi kofe-

ina, teofilina i teobromina. Kofeina, zwana te Ŝ tein ą , obficie wyst ę puje w ziarnach

kawy, teofilina w li ś ciach herbaty, teobromina w owocach kakaowych. Wszystkie

maj ą zastosowanie farmakologiczne.

CH 3

H 3 C

CH 3

teofilina

(1,3-dimetyloksantyna)

kofeina

(1,3,7-trimetyloksantyna)

teobromina

(3,7-dimetyloksantyna)

Heterocykliczne zasady azotowe, zarówno pirymidynowe, jak i purynowe,

wykazuj ą siln ą absorpcj ę promieniowania nadfioletowego, z maksimum pochła-

niania przypadaj ą cym na około 260 nm. Fakt ten znalazł zastosowanie w analityce

chemicznej. Wła ś ciwo ś ci absorpcyjne ś wiatła wynikaj ą z obecno ś ci w zasadach

azotowych wi ą za ń podwójnych w pozycji sprz ęŜ onej oraz heteroatomów. Widma

310

absorpcyjne zasad azotowych s ą podobne, lecz puryny silniej pochłaniaj ą ś wiatło

od pirymidyn. W najwy Ŝ szym stopniu pochłania ś wiatło adenina a w najni Ŝ szym

tymina i cytozyna. Widma absorpcyjne nukleozydów i nukleotydów s ą podobne,

poniewa Ŝ na intensywno ść , a tak Ŝ e charakter pochłaniania ś wiatła nie maj ą wpły-

wu reszty monocukrowe oraz grupy fosforanowe.

Pirymidyny (pH 7)

Puryny (pH 7)

Uracyl

Adenina

Cytozyna

Tymina

Guanina

230

260

300

λ nm

230

260

300

λ nm

Nukleozydy

Nukleozydy s ą N-glikozydami, z wyj ą tkiem pseudourydyny, która jest C-

-glikozydem. Składnikiem cukrowym jest albo β - D -rybofuranoza albo β - D -2-deo-

ksyrybofuranoza. Atomy w ę gla w cz ą steczkach monocukrów s ą oznaczane nume-

rem z primem (np. 2 ' ), dla odró Ŝ nienia pozycji atomu w obr ę bie reszty cukrowej od

pozycji w zasadowym fragmencie cz ą steczki.

Wi ą zanie β -N-glikozydowe w nukleozydach pirymidynowych ł ą czy anome-

ryczny atom w ę gla (C1) rybozy lub deoksyrybozy z pierwszym atomem azotu (N1)

zasady pirymidynowej.

Zasada tworzenia nazw nukleozydów opiera si ę na rodzaju zasady azotowej,

wyst ę puj ą cej w nukleozydzie. Mianowicie, nazwy nukleozydów pirymidynowych

tworzy si ę , dodaj ą c do pocz ą tkowego członu nazwy zasady, ko ń cówk ę „-dyna”,

np. cyty-dyna, ury-dyna, tymi-dyna. Tymidyna zawiera deoksyryboz ę i jest nukle-

ozydem przede wszystkim charakterystycznym dla DNA. W niektórych kwasach

rybonukleinowych (tRNA) mo Ŝ e wyst ę powa ć rybotymina, ale jest to nietypowy

nukleozyd.

311

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: