Тема: Гетероциклические соединения.
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ –
один
из
самых
многочисленных классов органических соединений, они содержат в составе
углеводородного
цикла
они
содержат
один
или
несколько
гетероатомов: O, N, S (рис. 1).
Рис. 1. ПРОСТЕЙШИЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Классификация гетероциклических соединений. В зависимости от
природы гетероатома различают кислород-, азот- и серосодержащие
соединения. Существуют и соединения, в составе которых есть
одновременно несколько одинаковых (рис. 2, диоксан) или различных
гетероатомов (рис. 2, тиазол, оксазин). Кроме того, их делят на насыщенные
соединения (рис. 1, пиперидин) и ненасыщенные, т.е. содержащие кратные
связи (рис. 1, фуран, пиридин, тиофен). В зависимости от числа циклических
фрагментов в молекуле различают моноядерные – моноциклические
соединения (рис. 1) и полиядерные – содержащие несколько циклов, причем
циклы могут быть конденсированные (содержать два общих атома, рис. 2,
индол), либо соединенные простой связью (рис. 2, бипиридил). В особую
группу выделяют макроциклические соединения, так называемые краунэфиры (crown англ. – корона), содержащие свыше четырех гетероатомов и
более десяти звеньев в структуре цикла (звеном называют фрагмент из двух
химически связанных атомов, (рис. 2).
Рис.
2. РАЗЛИЧНЫЕ
ТИПЫ
БОЛЕЕ
СЛОЖНЫХ
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ: с двумя одинаковыми
(диоксан), или различными (тиазол, оксазин) гетероатомами. Биядерные
соединения: с конденсированными (индол) или разделенными циклами
(бипиридил). Краун-эфиры – соединения с крупными циклами
(макроциклические).
Номенклатура гетероциклических соединений. Для большой группы
гетероциклических соединений допускают использование тривиальных (см.
ТРИВИАЛЬНЫЕ НАЗВАНИЯ ВЕЩЕСТВ) названий, сложившихся
исторически (например, рис. 1), всего таких названий около 60. В остальных
случаях названия (их именуют систематическими) составляют по
специальным правилам ИЮПАК (Международный Союз Теоретической и
Прикладной Химии), которые в этом случае своеобразны и отличаются от
той системы, которая принята для большинства органических соединений
иных классов. Из специально предложенных для этой цели корней и
приставок формируют название, соблюдая оговоренный порядок. В его
основе лежит корень, состоящий из двух слогов. Первый слог указывает на
количество звеньев цикла, например, слог «ир» (две переставленные буквы
из латинского корня «tri») соответствует трехчленному циклу, слог «ет»
(фрагмент латинского tetra) – четырехзвенный цикл, слог «ок» (часть
латинского octa) используют для восьмичленных циклов. Происхождение
некоторых других слогов, обозначающих размер цикла, не всегда логически
обосновано, например, для шестичленных циклов используют слог «ин»,
взятый из названия распространенного гетероцикла «пиридин» (рис. 1).
Второй слог укаывает, является ли гетероцикл насыщенным – слог «ан», или
ненасыщенным – слог «ен» (аналогия с названиями углеводородов: этан –
этен). Перед корнем помещают приставку, обозначающую природу
гетероатома: О – окса, S – тиа, N – аза. Поскольку корень часто начинается с
гласной буквы, в приставке обычно опускают последнюю букву «а». В
результате насыщенный трехчленный цикл, содержащий S, называют тииран
(рис. 3А): «ти-» сокращенная приставка «тио-», часть корня «ир» обозначает
трехчленный цикл, а вторая часть корня «ан» соответствует насыщенному
соединению. Аналогично трехчленный О-содержащий ненасыщенный цикл
называют оксирен (рис. 3Б). Если в гетероцикле несколько гетероатомов, то
их положение указывают с помощью числовых индексов, пронумеровав
предварительно атомы в цикле, а количество таких атомов обозначают
приставками ди-, три- и т.д., например, 1,3,5-триазин (рис. 3В). Если есть
различные
гетероатомы,
их
упоминают
в
следующем
порядке: O > S > N (этот установленный порядок носит условный характер и
не связан с химическими свойствами). В конце названия с помощью корня
указывают размер цикла и ненасыщенность, например, 1,2,6-оксадиазин (рис.
3Д). Способ написания корней для N-содержащих циклов несколько
отличается от описанного выше, что также специально оговорено, например,
корень «ин» в названии 1,2,6-оксадиазин (рис. 3Д) обозначает одновременно
и шестичленный и ненасыщенный цикл.
Правила составления систематических названий применимы к любым
гетероциклическим соединениям, в том числе и к тем, для которых есть
устоявшиеся тривиальные названия, например, у бициклического соединения
с тривиальным названием хинолин (рис. 3Е) систематическое название
бензазин. Часто химики вместо сложной системы систематических названий
используют более простую, основанную на тривиальных названиях: в
молекуле «вычленяют» фрагмент тривиального названия и с помощью
цифровых индексов указывают положение заместителей По такой схеме
составлено название 8-оксихинолин (рис. 3Ж).
Рис. 3. СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ НАЗВАНИЯ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ (А-Д). Сопоставление систематического и тривиального
названия (Е). Использование тривиального термина при составлении
названия (Ж). В 8-оксихинолине (Ж) два атома углерода, принадлежащие
одновременно двум циклам, не нумеруют,т.к. у них не может быть
заместителей.
Химические
свойства
гетероциклических
соединений. Трехи
четырехчленные гетероциклы представляют собой напряженные системы,
для них характерны реакции с раскрытием цикла. Этиленоксид (при 150° С и
давлении 2 мПа) гидролизуется, образуя этиленгликоль (рис. 4А). Реакция Осодержащих напряженных циклов со спиртами приводит к соединениям с
ОН-группой и простой эфирной связью (целлозольвы, рис. 4Б), а при
действии на них галогенводородов образуются соединения, содержащиеHal и
ОН-группу (галогенгидрины, рис. 4В). N-содержащие напряженные циклы,
взаимодействуя с галогеноводородами образуют галогеналкиламины (рис.
4Г).
Рис.
4. ПЯТИИ
ШЕСТИЧЛЕННЫЕ
НЕНАСЫЩЕННЫЕ
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, а также их производные
обладают ароматичностью, поэтому их химическое поведение напоминает
свойства ароматических соединений (производных бензола) – при различных
превращениях циклический фрагмент сравнительно устойчив, а атомы Н при
углеродных атомах кольца, как у бензола, могут замещаться разнообразными
группами (см. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ). При сульфировании (рис. 5А),
нитровании (рис. 5Б), ацилировании (рис. 5В,Г) атомы Н замещаются
соответствующими группами, а цикл сохраняется неизменным. Тем не менее,
устойчивость циклических фрагментов в таких соединениях ниже, чем у
бензольного цикла, поэтому все реакции замещения проводят в более мягких
условиях.
Рис. 5. РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ в гетероциклических соединениях: А –
сульфирование, Б – нитрование, В, Г – ацетилирование. Подобно реакциям
замещения в бензольном ядре, циклический фрагмент остается неизменным.
Для возникновения ароматической системы в циклах среднего размера (5–7звенных) нужно 6 р-электронов (см. АРОМАТИЧНОСТЬ). Каждая двойная
связь состоит из двух связей (см. ОРБИТАЛИ), первую образуют два sэлектрона двух соседних атомов, а вторую – образует пара р-электронов
(обозначены точками внутри цикла пиридина, рис. 6А). Шестиэлектронная
система в пиридине образуется за счет пяти р-электронов, принадлежащих
атомам углерода (черные точки) и одного р-электрона от азота (синяя точка).
В результате неподеленная электронная пара азота (красные точки) не
участвует в образовании ароматической системы, поэтому такой атом азота
может быть донором (дающим электроны) при образовании донорноакцепторной связи (этим же свойством обладают и амины). Часто такой
донор называют Льюисовским основанием, поскольку он проявляет свойства,
типичные для основания: образует с минеральными кислотами устойчивые
соли (рис. 6А), являющиеся комплексными соединениями. Аналогично ведет
себя хинолин (рис. 6Б), который можно рассматривать как производное
пиридина. Наиболее ярко свойства основания проявляются у 8-оксихинолина
(рис. 3Ж). Это соединение прочно связывает ионы большинства металлов,
образуя две обычные химические связи атома металла с двумя атомами О, и
две донорно-акцепторных связи с атомами N. Такие комплексы называют
хелатными (от греч. chele – клешня) или клешневидными. Это свойство 8оксихинолина широко используют в аналитической химии для
количественного определения металлов.
Рис.
6. ОБРАЗОВАНИЕ
КОМПЛЕКСНЫХ
СОЛЕЙ с
участием
шестичленных N-содержащих гетероциклов (А, Б). Хелатные комплексы
ионов металлов (В).
При переходе от шестичленных к пятичленным N-содержащим
ненасыщенным гетероциклам (пиррол, рис. 7) ситуация меняется. В этом
случае неподеленная электронная пара азота (рис. 7, красные точки)
вовлечена в образование шестиэлектронной ароматической системы и не
может участвовать в образовании донорно-акцепторной связи, в итоге
отчетливо проявляются кислотные свойства связи N-H: водород может
замещаться металлом (рис. 7). Такие металлопроизводные являются
удобными промежуточными соединениями для присоединения к азоту
алкильных (рис. 7А) или ацетильных групп (рис. 7Б).
Пятичленный гетероцикл имидазол (рис. 7В), содержащий два атома N,
также представляет собой ароматическое соединение – в образовании цикла
участвует 6 р-электронов. Интересно, что он обладает одновременно и
кислотными и основными свойствами. Атом N в группировке N-H может
реагировать как кислота, аналогично пирролу (рис. 7А, Б), второй атом N по
свойствам напоминает такой же атом в пиридине, для него характерны
реакции, показанные на рис. 6А.
Рис. 7. КИСЛОТНЫЕ СВОЙСТВА ПЯТИЧЛЕННОГО ГЕТЕРОЦИКЛА
ПИРРОЛА (А,Б). Сочетание кислотных и основных свойств в имидазоле (В).
Два атома N в имидазоле и принадлежащие им электроны отмечены
различающимися цветами.
Гетероциклические соединения получают с помощью различных
конденсационных процессов, проходящих через стадию замыкания цикла
(рис. 8А-В). Протекание таких реакций в нужном направлении
стимулируется тем, что в результате образуются сравнительно стабильные
гетероароматические соединения. Некоторые гетероциклические соединения
получают, взяв за основу соединения сходного состава. При
декарбонилировании (удалении СО) фурфурола получают фуран (рис. 8Г,
фурфурол – устоявшееся тривиальное название, неточно отражающее состав,
правильнее, фурфураль). Гидрирование фурана приводит к тетрагидрофурану
(рис. 8Д).
Рис.
8. СПОСОБЫ
СОЕДИНЕНИЙ
ПОЛУЧЕНИЯ
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ
В ненасыщенных пятичленных гетероциклах один гетероатом заменяется
другим без изменения циклического фрагмента (рис. 9).
Рис. 9. ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ПЯТИЧЛЕННЫХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ
Многие гетероциклические соединения получают переработкой природных
продуктов. Пиррол и индол (рис. 2) содержатся в каменноугольной смоле,
тиофен добывают из продуктов коксования каменного угля и термического
разложения горючих сланцев, фуран выделяют из продуктов сухой
перегонки некоторых пород древесины. Пиридин (рис. 1) получают из
каменноугольной смолы, продуктов сухой перегонки дерева и торфа.
Фурфурол (рис. 8) получают гидролизом растительного сырья (кукурузных
початков, овсяной и рисовой шелухи) в присутствии разбавленных
минеральных кислот.
Участие гетероциклических соединений в биологических процессах. Три
соединения – урацил, тимин и цитозин, которые представляют собой
производные азотсодержащего гетероцикла пиримидина (рис. 10, в скобках),
а также два производных гетероцикла пурина (рис. 10, в скобках) – гуанин и
аденин, входят в составнуклеиновых кислот, порядок чередования этих
гетероциклов вдоль полимерных цепей ДНК и РНК определяет всю
наследственную информацию живого организма и способ сборки белковых
молекул.
Рис.10. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, входящие в состав
нуклеиновых кислот
Некоторые аминокислоты (рис. 11), участвующие в образовании белков,
также содержат гетероциклические фрагменты: триптофан включает в себя
фрагмент индола (рис. 2), в гистидине есть цикл имидазола (рис. 7), пролин –
производное пирролидина.
Фрагменты гетероциклов есть в структуре многих биологически-активных
веществ, среди наиболее используемых лекарственных препаратов свыше
60% составляют гетероциклические соединения. Четырехчленный цикл
азетидинон (рис. 11) входит в состав антибиотиков пенициллина и
цефалоспорина, аскорбиновая кислота (витамин С) содержит в своем составе
фурановый гетероцикл, другой витамин никотинамид включает в себя
фрагмент пиридина, молекула кофеина «построена» на базе упомянутого
ранее пурина (рис. 10).
Рис. 11. ПРИСУТСТВИЕ ФРАГМЕНТОВ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ в структуре биологически важных молекул
Для всех соединений (рис. 10), за исключением азетидинона, приведены
тривиальные названия, которые утвердились и вошли в употребление до
того, как были сформулированы правила систематической номенклатуры.
Применение гетероциклических соединений. Диоксан (рис. 2) и
тетрагидрофуран (рис. 8) широко используют в качестве высокополярных
растворителей в органическом синтезе.
Фурфурол (рис. 8) является исходным продуктом для получения фурана (рис.
8), тетрагидрофурана, а также для синтеза некоторых лекарственных
препаратов (фурацилин).
При конденсации фурфурола в кислой среде образуются полимерные
продукты (фурановые смолы), по строению напоминающие фенольные
смолы, – метиленовые группы СН2, соединяющие гетероциклы (рис. 12А).
При нагревании таких смол в присутствии кислотных катализаторов
(например, толуолсульфокислота) двойные связи раскрываются с
образованием поперечных сшивок, в результате полимер переходит в
нерастворимое состояние, что позволяет его использовать в качестве
связующего при изготовлении различных наполненных прессматериалов:
стекло- и углепластиков, древесноволокнистых плит и т.п. В твердом
состоянии фурановые полимеры представляют собой химически стойкие
вещества (до 300° С), это позволяет применять их и как
коррозийноностойкие и огнеустойчивые герметики и мастики.
При конденсации ароматических тетраминов (4 амино-группы) с эфирами
ароматических дикарбоновых кислот (см. СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ) образуются
полимеры, в структуре которых в процессе синтеза возникают фрагменты
бензимидазола (рис. 12Б). Такие полимеры, получившие название
полибензимидазолы, обладают высокой прочностью и термостойкостью (до
500° С), из них изготавливают пленки, волокна (торговое название АРМОС и
РУСАР), армированные пластики.
Рис.
12. ПОЛИМЕРЫ,
СОДЕРЖАЩИЕ
В
ЦЕПИ
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ ФРАГМЕНТЫ: фурановый полимер (А),
полибензимидазол (Б).
Производные бензимидазола
препаратов (дибазол).
входят
в
состав
лекарственных
Пятичленные азотсодержащие гетероциклы с одним гетероатомом
Пиррол
Пиррол – 5-членный ароматический гетероцикл с одним атомом азота.
Ароматическая система пиррола включает 6 p -электронов:
электрона от двойных связей и два – от гетероатома.
четыре p -
Атом азота с неподеленной парой электронов действует как донор, повышая
электронную плотность на атомах углерода цикла. Поэтому пиррол относят
к p -избыточным гетероциклам.
Химические свойства
Химические свойства пиррола
системы и полярной связи N-H.
определяются
наличием ароматической
Кислотно-основные свойства
Неподеленная пара электронов азота является частью ароматического секстета
электронов, поэтому пиррол практически лишен основных свойств
(
). Сила пиррола как основания не может быть точно определена,
так как он является ацидофобным соединением и полимеризуется под
действием кислот.
В то же время, наличие полярной связи N-H обуславливает слабые кислотные
свойства пиррола (pKa=16,5).
Реакции электрофильного замещения
Пиррол, как p -избыточный гетероцикл, легко вступает в реакции
электрофильного замещения. Активность пиррола по отношению к
электрофилам выше, чем у бензола, и близка к активности анилина и фенола.
Электрофильное замещение направляется преимущественно в положение 2.
Из-за ацидофобности пиррола SE-реакции проводятся в отсутствии кислот.
Биологически активные производные пиррола.
Тетрапиррольные
соединения содержат
ароматический
макроцикл порфин, включающий четыре пиррольных кольца.
Замещенные порфины называют порфиринами. В виде комплексов с
металлами порфирины и частично гидрированные порфирины входят в
состав важных природных соединений – гема (простетической группы
гемоглобина – содержащегося в эритроцитах основного белка
дыхательного цикла, переносчика кислорода от органов дыхания к
тканям), зеленого пигмента растений хлорофилла, витамина В12.
Индол
Индол – ароматическое гетероциклическое соединение,
конденсированные бензольный и пиррольный циклы.
содержащее
Химические свойства
Химические свойства индола аналогичны свойствам пиррола. Он
практически не обладает основными свойствами, ацидофобен, является
слабой NH-кислотой. Активно вступает в реакции электрофильного
замещения, при этом заместитель вступает в положение 3 пиррольного
кольца.
Биологически активные производные индола.
Триптофан – незаменимая (не синтезируется в организме человека)
аминокислота, входящая в состав животных и растительных белков.
Серотонин – биогенный амин, продукт метаболизма триптофана. Обладает
высокой биологической активностью, является нейромедиатором головного
мозга.
Триптамин – токсичный биогенный амин, продукт декарбоксилирования
триптофана.
Индольные алкалоиды. Алкалоиды – гетероциклические азотсодержащие
основания растительного происхождения, обладающие ярко выраженным
физиологическим действием. Индольное кольцо входит в состав многих
алкалоидов – резерпина (содержится в растениях рода раувольфия;
используется как успокаивающее и понижающее кровяное давление
средство), стрихнина (содержится в семенах растения чилибухи;
используется как тонизирующее средство), лизергиновой кислоты (алкалоид
спорыньи; диэтиламид лизергиновой кислоты - ЛСД - сильное
галлюциногенное
средство).
Шестичленные гетероциклические соединения
1.Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом
Пиридин
Пиридин С5H5N – шестичленный гетероцикл с одним атомом азота.
Это бесцветная жидкость с неприятным запахом, т.кип. 115°С. Хорошо
растворяется в воде и органических жидкостях. Ядовит.
Электронное строение молекулы пиридина сходно со строением
бензола. Атомы углерода и азота находятся в состоянии sp2-гибридизации.
Все σсвязи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями, углы
между ними составляют примерно 120°. Поэтому цикл имеет плоское
строение. Шесть электронов, находящихся на негибридных р-орбиталях,
образуют π-электронную ароматическую систему.
Из трех гибридных орбиталей атома азота две образуют σ-связи С–N, а
третья содержит неподеленную пару электронов, которые не участвуют в πэлектронной
системе.
Поэтому
пиридин,
подобно
аминам,
проявляет свойства основания. Его водный раствор окрашивает лакмус в
синий цвет. При взаимодействии пиридина с сильными кислотами
образуются соли пиридиния.
Наряду с основными свойствами пиридин проявляет свойства
ароматического соединения. Однако его активность в реакциях
электрофильного замещения ниже, чем у бензола. Это объясняется тем, что
азот как более электроотрицательный элемент оттягивает электроны на себя
и понижает плотность электронного облака в кольце, в особенности в
положениях 2, 4 и 6 (орто- и пара-положения).
Поэтому, например, реакция нитрования пиридина проходит в жестких
условиях (при 300°C) и с низким выходом. Ориентирующее влияние атома
азота на вступление нового заместителя при электрофильном замещении в
пиридине подобно влиянию нитрогруппы в нитробензоле реакция идет в
положение 3.
Как и бензол, пиридин может присоединять водород в присутствии
катализатора с образованием насыщенного соединения пиперидина.
Пиперидин проявляет свойства вторичного амина (сильное основание).
Пиперединовое кольцо входит в состав одного с наиболее
эффективных анастетиков- промедола.
Пиперединовое и пиридиновое ядра встречаются в многих алкалоидах.
Важные производные пиримидина- некоторые витамины группы В,
никотиновая кислота и никотинамид.
Никотиновая кислота.
Никотиновая кислота или витамином В3 и ее производная никотинамид
используются организмом в процессе преобразования пищи в энергию.
Никотиновая кислота содержится во многих видах продуктов, и хорошо
сбалансированная разнообразная диета обеспечивает организм необходимым
количеством никотиновой кислоты. Рекомендованная диетическая норма
составляет 15 мг для пожилых мужчин и 13 мг для пожилых женщин.
Диетический дефицит никотиновой кислоты, называемый пеллагрой,
наблюдается достаточно редко.
2. Шести и семичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.
Бициклические гетероциклы.
Пиримидин и пурин
Пиримидин С4Н4N2 - шестичленный гетероцикл с двумя атомами азота.
Проявляет свойства очень слабого основания, т.к. атомы азота в sp 2гибридизованном состоянии довольно прочно удерживают неподеленную
электронную
пару.
Для пиримидина, подобно пиридину, характерна 6π-электронная
ароматическая система. Поэтому его цикл обладает повышенной
устойчивостью
Пурин С5H4N4 – соединение, в молекуле которого сочетаются
структуры шести- и пятичленного гетероциклов, содержащих по два атома
азота.
Проявляет амфотерные свойства. Слабые основные свойства связаны с
атомами азота шестичленного (пиримидинового) цикла. Слабые кислотные
свойства обусловлены группой N-H пятичленного цикла (по аналогии с
пирролом).
Эти соединения являются основой пиримидиновых и пуриновых
оснований, входящих в состав природных высокомолекулярных веществ –
нуклеиновых кислот.
Пиримидиновые основания
Пиримидиновые основания – производные пиримидина, входящие в
состав нуклеиновых кислот: урацил, тимин, цитозин.
Для оснований, содержащих группу –ОН, характерно подвижное
равновесие структурных изомеров, обусловленное переносом протона от
кислорода к азоту и наоборот:
Подобное динамическое равновесие структурных изомеров называют
"таутомерией". Данный частный случай относят к лактим-лактамной
таутомерии.
3. Шестичленные гетероциклические соединения с двумя гетероатомами.
Пурин. Алкалоиды
и реакции электрофильного замещения эти гетероциклы
вступают с трудом. Реакции SE возможны только при наличии в
молекуле сильных электронодонорных заместителей, таких как
ои-группа и другие, способных проявлять
тш-эффект.
Реакции же нуклеофильного замещения £ЛГ протекают легко.
ПИРИДАЗИН
пиридазин (1,2-диазин) — это бесцветная жидкость
с ^кип = 207 °С. пиридазин и его производные получают реакцией
конденсации
гидразина
с
1,4-дикарбо-нильными
соединениями
(предельными или непредельными):
С минеральными кислотами и алкилгалогенидами пиридазин
образует соли по одному атому азота.
N-оксид:
при восстановлении или каталитическом гидрировании происходит
раскрытие цикла и образуется тетраметилендиамин:
ПИРАЗИН
32.
Шестичленные
гетероциклические
гетероатомами. Пурин. Алкалоиды
соединения
с
двумя
при восстановлении пиразина водородом в момент выделения образуется
циклический диамин — пиперазин:
пиперазин — сильное основание, обладающее свойствами вторичных
алифатических аминов, образует соли с двумя эквивалентами кислоты.
пиперазина адипинат применяют как глистогонное средство.
Из производных пиперазина отметим циклические амиды а-аминокислот,
которые называют дикетопиперазинами.
восстановлением дикетопиперазина получают пиперазин.
пиримидин
пиримидин (1,3-диазин)
кристаллическое вещество
с *пл — 225 с, легкорастворимое в воде, этаноле. Образует соли с одним
эквивалентом сильных кислот:
Гетероциклические соединения
Реакции электрофильного замещения протекают с большим
трудом, только при наличии в молекуле электронодонорных
заместителей, при этом реакция протекает по положению 5:
Атомы азота пиридинового типа, вследствие электроноакцеп-
торного действия, обусловливают общее уменьшение электронной
плотности и прежде всего в положениях 2, 4, 6, что способствует протеканию
реакций нуклеофильного замещения £ •
пиримидин получают реакцией взаимодействия мочевины
с малоновым эфиром по следующей схеме:
32.
Шестичленные
гетероциклические
гетероатомами. Пурин. Алкалоиды 427
соединения
с
двумя
иарбитуровая
кислота
(2,4,6-тригидроксипиримидин)
является
производным пиримидина, и из нее можно его получить, действуя
трихлороксидом фосфора с последующим восстановлением.
Барбитуровая кислота
важнейшее производное пиримидина
циклический
уреид
малоновой
кислоты,
мало-нилмочевина.
Представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, легко
растворяется в теплой воде, трудно — в холодной. В результате щелочного
гидролиза барбитуровая кислота разлагается, образуя малоновую кислоту,
1ЧН3 и С02. Эта реакция свидетельствует о неароматическом характере
соединения.
группа
СН2
(метиленовая группа) в положении 5 обладает
высокой реакционной способностью. Метиленовая группа в
барбитуровой кислоте фланкирована с обеих сторон кетогруппами, которые
повышают подвижность атомов водорода.
Барбитуровая кислота — это таутомерное вещество. Для нее характерны
два вида таутомерии: кето-енольная и лактам-лактим-ная.
таким образом, барбитуровая кислота существует в двух таутомерных формах: триоксоформе и тригидроксиформе:
говоря о барбитуровой кислоте, следует отметить, что она
в 5—6 раз сильнее, чем уксусная. Кислотность барбитуровой кислоты
обусловлена существованием подвижных атомов водорода в 5 положении.
Если один из атомов водорода замещен на радикал, то сила кислоты
несколько уменьшается, при замене же двух атомов водорода сила кислоты
резко снижается.
Используя в качестве исходных продуктов производные малоновой
кислоты, можно получить реакцией конденсации с мочевиной целый ряд
фармацевтических препаратов. К примеру:
= С2Н5 — барбитал (5,5-диэтилбарбиту-ровая кислота);
Я=С2Н5, Я' = С6Н5 — люминал, или фенобарбитал (5-фенил-5этилбарбитуровая кислота).
К производным пиримидина следует отнести аллоксан, который
получается при конденсации мезоксалевой кислоты и мочевины.
Шестичленные гетероциклические соединения с двумя гетероатомами.
Пурин. Алкалоиды 42'
Группа пурина включает природные продукты, не менее важные для
физиологии животных и растений, чем моносахариды или аминокислоты.
Гетероциклические соединения
пурин (имидазо[4,5-и]пиримидин) — бициклическая система, состоящая
из пиримидинового и имидазольного колец. Пурин представляет собой
бесцветное
кристаллическое
вещество
нейтрального
характера,
легкорастворимое в воде. Образует соли как с кислотами, так и со щелочами,
обладает ароматическим характером. Амфотерность пурина связана с
наличием в его структуре ими-дазольного ядра.
слабые кислотные свойства пурин проявляет за счет атома азота
пиррольного типа, а основные — за счет атома азота пиридинового типа в
имидазольном фрагменте молекулы.
Как и для имидазола, для пурина характерна азольная таутомерия:
важнейшими производными пурина являются оксо- и аминопроизводные.
К оксопуринам относятся мочевая кислота, ксан-тин и гипоксантин.
Шестичленные гетероциклические соединения с 2 гетероатомами
в нормальной моче человека и животных содержится незначительное
количество мочевой кислоты. Основным продуктом азотистого обмена
является мочевина. При некоторых заболеваниях, в частности при подагре
(откладывание мочевой кислоты в виде № солей в суставах), увеличивается
количество мочевой кислоты. У птиц и змей мочевая кислота является
главной составной частью экскрементов (у змей до 90 %).
Мочевая
кислота
—
бесцветное
кристаллическое
вещество,
труднорастворимое в воде, нерастворимое в этаноле и эфире. Мочевая
кислота — очень слабая кислота; ее нельзя обнаружить при помощи
обычных индикаторов, так как она не изменяет их цвет. Она образует соли с
одним или двумя эквивалентами одновалентных металлов.
Для мочевой кислоты характерна лактам-лактимная таутомерия.
оксоформа, лактамная форма
гидроксиформа, лактимная форма
В кристаллическом состоянии мочевая кислота находится в лактамной
(оксо-) форме, а в растворе между лактамной и лак-тимной формами
устанавливается динамическое равновесие, в котором преобладает лактамная
форма.
Конденсированные гетероциклические соединения
хинолин
хинолин (бензо[Ь]пиридин) представляет собой бициклическую систему,
содержащую конденсированные пиридиновое и бензольное кольца. Его
также можно рассматривать как гетероциклический аналог нафталина (1-азанафталин).
В пиридиновом кольце положения обозначаются греческими буквами а(положение 2), р (3), у (4). Хинолин — бесцветная жидкость с неприятным
запахом, I = 237 °С, хорошо смешивается
с водой, этанолом, диэтиловым эфиром, перегоняется с водяным паром.
Способы получения. Хинолин и его метильные производные получают из
продуктов перегонки каменноугольной смолы.
Среди синтетических способов получения хинолина и его производных
важнейшими являются синтез Скраупа и синтез Дебне-ра — Миллера.
1. Синтез Скраупа.
Конденсированные шестичленные гетероциклические соединения с
одним гетероатомом
Механизм реакции включает три последовательные стадии.
На первой стадии глицерин под действием концентрированной кислоты
превращается в акролеин:
На второй стадии образовавшийся акролеин вступает в реакцию
конденсации с анилином:
дигидрохинолин окисляется нитробензолом в хинолин:
Для получения производных хинолина, содержащих заместители в
бензольном кольце, вместо анилина используют его соответствующие
производные со свободным орто-положением.
Реакция была открыта в 1881 году австрийским химиком-органиком 3. Х.
Скраупом. В литературе эту реакцию иногда называют скраупированием.
2. Синтез Дебнера—Миллера. Реакция открытав 1881 годуи является
модификацией синтеза Скраупа.
Синтез Дебнера — Миллера применяют для получения производных
хинолина, содержащих алкильный заместитель в пиридиновом кольце.
В качестве исходных веществ используют ароматический амин и
альдегид, который может вступать в реакцию кротоновой конденсации.
Синтез проводят в присутствии цинка хлорида, хлороводородной или другой
минеральной кислоты.
Например, для получения 2-метилхинолина (хинальдина) используют
анилин и ацетальдегид.
На первой стадии происходит кротоновая конденсация двух молекул
альдегида с образованием а,р-ненасыщенного альдегида:
далее происходит взаимодействие кротонового альдегида
с анилином. В данном случае окислителями выступают азомети-ны
С,И.—N=03—К, которые образуются в процессе реакции:
Конденсированные шестичленные гетероциклические соединения с
одним гетероатомом
хинолин является ароматическим соединением: его молекула имеет
плоское строение и единую сопряженную 10 п-электронную систему.
По химическим свойствам хинолин схож с пиридином. Для него
характерны реакции:
— с участием гетероатома;
— электрофильного и нуклеофильного замещения;
— окисления;
— восстановления.
1. Реакции по гетероатому. Наличие в молекуле хинолина атома азота
пиридинового типа обусловливает основные свойства.
Хинолин образует
ацилгалогенидами:
соли
с
сильными
кислотами,
алкил-
и
2. реакции злектрорильпого и пуклеорильпого замещении, в результате
электроноакцепторного влияния гетероатома электронная плотность в
молекуле хинолина распределена неравномерно: в пиридиновом кольце она
ниже, чем в бензольном. Поэтому при действии электрофильных реагентов
замещение проходит по бензольному кольцу, а нуклеофильное — по
пиридиновому.
реакции замещения в молекуле хинолина протекают преимущественно по
положению 5 и 8.
При обработке нитрующей смесью образуются 5- и 8-нитро-хинолины.
Сульфирование концентрированной серной кислотой при температуре 220 °С
приводит к образованию 8-хинолинсуль-фокислоты, а при 300 °С — 6хинолинсульфокислоты (в этих условиях происходит перегруппировка 8изомера в более термодинамически выгодный 6-изомер):
Конденсированные шестичленные гетероциклические соединения с
одним гетероатомом
в реакции замещения хинолин вступает значительно легче, чем пиридин.
При этом реакции протекают по положению 2.
при восстановлении хинолина в первую очередь восстанавливается
пиридиновое ядро. Образование продуктов реакции зависит от катализатора
и условий проведения.
окисление калия хинолина перманганатом в щелочной среде
приводит к расщеплению бензольного кольца и образованию хинолиновой
(2,3-пиридиндикарбоновой)
кислоты.
В
присутствии
пероксикислот хинолин образует 1Г-оксид:
Хинолиновое ядро является структурным фрагментом многих алкалоидов
и лекарственных препаратов.
8-±идроксихинолин — бесцветное кристаллическое вещество с Тпл =
75...76 °С и характерным запахом, малорастворимый в воде, диэтиловом
эфире, бензоле. Его получают нагреванием орто-аминофенола с глицерином
в присутствии концентрированной серной кислоты (синтез Скраупа) или
сплавлением 8-хинолинсульфокислоты со щелочью:
8-гидроксихинолин
способен
образовывать
нерастворимые
координационные комплексы — хелаты, используемые в качественном
анализе:
это свойство 8-гидроксихинолина также лежит в основе его применения в
медицине.
Множество производных этого соединения (хинозол, нитро-ксолин (5НОК), энтеросептол) обладают антибактериальной и противогрибковой
активностью.
Конденсированные шестичленные гетероциклические соединения с
одним гетероатомом
следует отметить лекарственный препарат совкаин, который является
местным анестетиком.
И30ХИН0ЛИН
изохинолин является изомером хинолина, но в отличие от него циклы
соединены вдоль связи С3—С4 пиридинового кольца и поэтому его
называют бензо[с]пиридином. Нумерацию атомов в молекуле изохинолина
проводят как в конденсированных аренах, с учетом положения гетероатома.
Изохинолин — это бесцветное кристаллическое вещество с Тпл = 24,6 °С
и запахом, напоминающим запах хинолина, растворяется в воде и
большинстве органических растворителей.
Способы получения. Изохинолин содержится в хинолиновой фракции
каменноугольной смолы (1%).
В лаборатории синтез изохинолина и его производных осуществляют по
реакции Бишлера—Напиральского.
при взаимодействии р-фенилэтанамина с хлоранг идридами карбоновых
кислот образуется К-ацил-р-фенилэтанамин, который при действии
водоотнимающих средств РОС13, Р205 или полифосфорной кислоты
подвергается циклодегидратации с образованием замещенных 3,4дигидроизохинолина.
Последующее дегидрирование приводит к образованию изо-хинолина.
по химическим свойствам изохинолин во многом напоминает хинолин.
За счет гетероатома он проявляет слабоосновные свойства, взаимодействуя с
сильными кислотами. Как основание изохинолин немного сильнее хинолина
изозохинолин вступает в реакции электрофильного замещения, как и
хинолин, в положениях 5 и 8 бензольного кольца.
Нуклеофильное замещение протекает в положении 1.
изохинолин труднее восстанавливается, чем хинолин.
ири окислении изохинолина щелочным раствором перманганата калия
окислению подвергаются оба ядра, и в результате образуется смесь
фталевой и 3,4-пиридиндикарбоновой кислот.
Производными изохинолина являются многие
хинолинового ряда — морфин, папаверин, наркотин и др.
АКРИДИН
алкалоиды
изо-
акридин (дибензо[ь,е]пиридин) представляет собой конденсированную
систему из двух бензольных и одного пиридинового циклов.
Нумерацию атомов проводят таким образом, чтобы азот получил
наибольший номер — 10. Положения 9 и 10 называют мезо-положениями.
Акридин — это светло-желтое кристаллическое вещество с Тпл = 111 °С
и характерным запахом, легко возгоняется. Хорошо растворяется в
органических растворителях, малорастворим в воде. Разбавленные растворы
имеют синюю флуоресценцию. Растворы солей обладают зеленой
флуоресценцией, при разбавлении водой происходит гидролиз, и зеленая
флуоресценция переходит в синюю, характерную для свободного акридина.
Акридин оказывает на слизистые оболочки и на кожу раздражающее
воздействие, вызывает чувство жжения, откуда и произошло его название
аспя — едкий.
Способы получения. Акридин выделяют из антраценовой фракции
каменноугольной смолы.
Чаще акридин получают синтетическим путем, используя реакции
конденсации и циклизации.
1. Конденсация дифениламина с карбоновыми кислотами. Акридин
получают по способу Бернтсена при нагревании дифениламина с
одноосновными карбоновыми кислотами в присутствии цинка хлорида как
водоотнимающего средства:
Хинолин и изохинолин
Хинолин и изохинолин – ароматические гетероциклические соединения,
содержащие конденсированные бензольный и пиридиниевый циклы.
хинолин
изохинолин
Химические свойства
Химические свойства хинолина и изохинолина аналогичны свойствам
пиридина. Они обладают основными и нуклеофильными свойствами и
образуют соли при протонировании сильными кислотами и при
алкилировании алкилгалогенидами. Реакции электрофильного замещения
протекают по наименее электронодефицитному бензольному кольцу и
направляются в хинолине в положения 6 и 8. Нуклеофильные реагенты
атакуют пиридиниевый цикл хинолина в положение 2.
При каталитическом гидрировании хинолина в первую очередь затрагивается
пиридиниевый цикл. При окислении разрушается бензольный цикл и
образуется 2,3- пиридиндикарбоновая кислота.
Биологически активные производные хинолина и изохинолина.
8-Гидроксихинолин и его производные – 8-гидрокси-5-нитрохинолин (5НОК) и 8-гидрокси-7-иод-5-хлорхинолин (энтеросептол) – обладают сильным
бактерицидным действием и используются как противовоспалительные и
антисептические средства.
Действие этих препаратов основано на образование прочных хелатных
комплексов с ионами металлов. Таким образом происходит связывание
микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности бактерий.
Хинин - алкалоид коры хинного дерева, эффективное противомалярийное
средство.
Алкалоиды опия: морфин - сильнейшее болеутоляющее средство, наркотик;
папаверин - спазмолитическе и сосудорасширяющее средство.
НУКЛЕОЗИДЫ. НУКЛЕОТИДЫ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
План
1. Нуклеиновые основания.
2. Нуклеозиды.
3. Нуклеотиды.
4. Нуклеотидные коферменты.
5. Нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты – присутствующие в клетках всех живых организмов
биополимеры, которые выполняют важнейшие функции по хранению и
передаче генетической информации и участвуют в механизмах ее реализации
в процессе синтеза клеточных белков.
Установление состава нуклеиновых кислот путем их последовательного
гидролитического расщепления позволяет выделить следующие структурные
компоненты.
Рассмотрим структурные компоненты нуклеиновых кислот в порядке
усложнения их строения.
1. Нуклеиновые основания.
Гетероциклические основания, входящие в состав нуклеиновых кислот
(нуклеиновые основания), - это гидрокси- и аминопроизводные пиримидина и
пурина. Нуклеиновые кислоты содержат три гетероциклических основания с
пиримидиновым циклом (пиримидиновые основания) и два - с пуриновым
циклом (пуриновые основания). Нуклеиновые основания имеют тривиальные
названия и соответствующие однобуквенные обозначения.
В составе нуклеиновых кислот гетероциклические основания находятся в
термодинамически стабильной оксоформе.
Кроме этих групп нуклеиновых оснований, называемых основными, в
нуклеиновых
кислотах
в
небольших
количествах
встречаются минорные основания:
6-оксопурин
(гипоксантин),
3-Nметилурацил, 1-N-метилгуанин и др.
Нуклеиновые кислоты включают остатки моносахаридов – D-рибозы и 2дезокси –D-рибозы. Оба моносахарида присутствуют в нуклеиновых
кислотах в -фуранозной форме.
2. Нуклеозиды.
Нуклеозиды – это N-гликозиды, образованные нуклеиновыми основаниями и
рибозой или дезоксирибозой.
Между аномерным атомом углерода моносахарида и атомом азота в
положении 1 пиримидинового цикла или атомом азота в положении 9
пуринового цикла образуется -гликозидная связь.
В зависимости от природы моносахаридного остатка нуклеозиды делят
на рибонуклеозиды (содержат
остаток
рибозы)
идезоксирибонуклеозиды (содержат остаток дезоксирибозы). Названия
нуклеозидов строят на основе тривиальных названий нуклеиновых
оснований, добавляя окончание –идин для производных пиримидина и озин для производных пурина. К названиям дезоксирибонуклеозидов
добавляют
приставку дезокси-. Исключение
составляет
нуклеозид,
образованный тимином и дезоксирибозой, к которому приставка дезокси- не
добавляется, так как тимин образует нуклеозиды с рибозой лишь в очень
редких случаях.
Для обозначения нуклеозидов используются однобуквенные обозначения,
входящих в их состав нуклеиновых оснований. К обозначениям
дезоксирибонуклеозидов ( за исключением тимидина) добавляется буква ”д”.
Наряду с представленными на схеме основными нуклеозидами в составе
нуклеиновых кислот встречаются минорные нуклеозиды, содержащие
модифицированные нуклеиновые основания (см. выше).
В природе нуклеозиды встречаются также в свободном состоянии,
преимущественно в виде нуклеозидных антибиотиков, которые проявляют
противоопухолевую активность. Нуклеозиды-антибиотики имеют некоторые
отличия от обычных нуклеозидов в строении либо углеводной части, либо
гетероциклического основания, что позволяет им выступать в качестве
антиметаболитов, чем и объясняется их антибиотическая активность.
Как N-гликозиды, нуклеозиды устойчивы к действию щелочей, но
расщепляются под действием кислот с образованием свободного
моносахарида и нуклеинового основания. Пуриновые нуклеозиды
гидролизуются значительно легче пиримидиновых.
3. Нуклеотиды
Нуклеотиды – это эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты
(нуклеозидфосфаты). Сложноэфирную связь с фосфорной кислотой образует
ОН группа в положении 5/ или 3/ моносахарида. В зависимости от природы
моносахаридного
остатка
нуклеотиды
делят
на рибонуклеотиды (структурные
элементы
РНК)
и дезоксирибонуклеотиды (структурные
элементы
ДНК).
Названия
нуклеотидов включают название нуклеозида с указанием положения в нем
остатка фосфорной кислоты. Сокращенные обзначения нуклеозидов
содержат обозначение нуклеозида, остатка моно-, ди- или трифосфорной
кислоты, для 3/-производных указывается также положение фосфатной
группы.
Нуклеотиды являются мономерными звеньями, из которых построены
полимерные цепи нуклеиновых кислот. Некоторые нуклеотиды выполняют
роль коферментов и участвуют в обмене веществ.
4. Нуклеотидные коферменты
Коферменты – это органические соединения небелковой природы, которые
необходимы для осуществления каталитического действия ферментов.
Коферменты относятся к разным классам органических соединений. Важную
группу коферментов составляютнуклеозидполифосфаты.
Аденозинфосфаты – производные аденозина, содержащие остатки моно-, дии трифосфорных кислот. Особое место занимают аденозин-5/-моно-, ди- и
трифосфаты - АМФ, АДФ и АТФ - макроэргические вещества, которые
обладают большими запасами свободной энергии в подвижной форме.
Молекула АТФ содержит макроэргические связи Р-О, которые легко
расщепляются в результате гидролиза. Выделяющаяся при этом свободная
энергия обеспечивает протекание сопряженных с гидролизом АТФ
термодинамически невыгодных анаболических процессов, например,
биосинтез белка.
Кофермент А. Молекула этого кофермента состоит из трех структурных
компонентов: пантотеновой кислоты, 2-аминоэтантиола и АДФ.
Кофермент А участвует в процессах ферментативного ацилирования,
активируя
карбоновые
кислоты
путем
превращения
их
в
реакционноспособные сложные эфиры тиолов.
Никотинамидадениндинуклеотидные
коферменты. Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) и
его
фосфат
+
(НАДФ ) содержат в своем составе катион пиридиния в виде
никотинамидного фрагмента. Пиридиниевый катион в составе этих
коферментов способен обратимо присоединять гидрид-анион с образованием
восстановленной формы кофермента Н.
Таким образом никотинамидадениндинуклеотидные коферменты участвуют
в окислительно-восстановительных процессах, связанных с переносом
гидрид-аниона, например, окислении спиртовых групп в альдегидные
(превращение ретинола в ретиналь), восстановительном аминировании
кетокислот, восстановлении кетокислот в гидроксикислоты. В ходе этих
процессов субстрат теряет (окисление) или присоединяет (восстановление)
два атома водорода в виде Н+ и Н-. Кофермент служит при этом акцептором
(НАД+) или донором (НАД.Н) гидрид-иона. Все процессы с участием
коферментов являются стереоселективными. Так, при восстановлении
пировиноградной кислоты образуется исключительно L-молочная кислота.
5. Нуклеиновые кислоты.
Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой линейную
полимерную цепь, построенную из мономеров – нуклеотидов, которые
связаны между собой 3/-5/-фосфодиэфирными связями. Полинуклеотидная
цепь имеет 5'-конец и 3'- конец. На 5'-конце находится остаток фосфорной
кислоты, а на 3'- конце - свободная гидроксильная группа. Нуклеотидную
цепь принято записывать, начиная с 5'-конца.
В зависимости от природы моносахаридных остатков в нуклеотиде
различают дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые
кислоты (РНК). ДНК и РНК различаются также по природе входящих в их
состав нуклеиновых оснований: урацил входит только в состав РНК, тимин –
только в состав ДНК.
РНК
Урацил
Цитозин, аденин, гуанин
ДНК
Тимин
Цитозин, аденин, гуанин
Вторичная
структура ДНК представляет
собой
комплекс
двух
полинуклеотидных цепей, закрученных вправо вокруг общей оси так, что
углевод-фосфатные цепи находятся снаружи, а нуклеиновые основания
направлены внутрь (двойная спираль Уотсона-Крика). Шаг спирали - 3.4 нм,
на 1 виток приходится 10 пар нуклеотидов. Полинуклеотидные цепи
антипараллельны, т.е. напротив 3'-конца одной цепи находится 5'-конец
другой цепи. Две цепи ДНК неодинаковы по своему составу, но
они комплементарны. Это выражается в том, что напротив аденина (А) в
одной цепи всегда находится тимин (Т) в другой цепи, а напротив гуанина
(Г) всегда находится цитозин (Ц). Комплементарное спаривание А с Т и Г с Ц
осуществляется за счет водородных связей. Между А и Т образуется две
водородные связи, между Г и Ц – три.
Комплементарность цепей ДНК составляет химическую основу важнейшей
функции ДНК – хранения и передачи генетической информации.
Типы РНК. Известны три основных вида клеточных РНК: транспортные
РНК (тРНК), матричные РНК (мРНК) и рибосомные РНК (рРНК). Они
различаются по месторасположению в клетке, составу и размерами, а также
функциями. РНК состоят, как правило, из одной полинуклеотидной цепи,
которая в пространстве складывается таким образом, что ее отдельные
участки становятся комплементарными друг другу (”слипаются”) и образуют
короткие двуспиральные участки молекулы, в то время как другие участки
остаются однотяжевыми.
Матричные РНК выполняют функцию матрицы белкового синтеза в
рибосомах.
Рибосомные РНК выполняют роль структурных компонентов рибосом.
Транспортные РНК участвуют в транспортировке -аминокислот из
цитоплазмы в рибосомы и в переводе информации нуклеотидной
последовательности мРНК в последовательность аминокислот в белках.
Механизм передачи генетической информации. Генетическая информация
закодированиа в нуклеотидной последовательности ДНК. Механизм
передачи этой информации включает три основных этапа.
Первый этап – репликация –копирование материнской ДНК с образованием
двух дочерних молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых
комплементарна последовательности материнской ДНК и однозначно
определяется ею. Репликация осуществляется путем синтеза новой молекулы
ДНК на материнской, которая играет роль матрицы. Двойная спираль
материнской ДНК раскручивается и на каждой из двух цепей происходит
синтез новой (дочерней) цепи ДНК с учетом принципа комплементарности.
Процесс осуществляется под действием фермента ДНК-полимеразы. Таким
образом из одной материнской ДНК образуются две дочерних, каждая из
которых содержит в своем составе одну материнскую и одну вновь
синтезированную полинуклеотидную цепь.
Второй этап – транскрипция – процесс, в ходе которого часть генетической
информации переписывается с ДНК в форме мРНК. Матричная РНК
синтезируется на участке деспирализованной цепи ДНК как на матрице под
действием фермента РНК-полимеразы. В полинуклеотидной цепи мРНК
рибонуклеотиды,
несущие определенные
нуклеиновые
основания,
выстраиваются в последовательности, определяемой комплементарными
взаимодействиями с нуклеиновыми основаниями цепи ДНК. При
этомадениновому основанию
в
ДНК
будет
соответствовать урациловое основание в РНК. Генетическая информация о
синтезе белка закодирована в ДНК с помощью триплетного кода. Одна
аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов,
которую
называют кодоном.
Участок
ДНК,
кодирующий
одну
полипептидную цепь, называется геном. Каждому кодону ДНК соответствует
комплементарный кодон в мРНК. В целом молекула мРНК комплементарна
определенной части цепи ДНК – гену.
Процессы репликации и транскрипции происходят в ядре клетки. Синтез
белка осуществляется в рибосомах. Синтезированная мРНК мигрирует из
ядра в цитоплазму к рибосомам, перенося генетическую информацию к
месту синтеза белка.
Третий этап – трансляция – процесс реализации генетической информации,
которую несет мРНК в виде последовательности нуклеотидов в
последовательность аминокислот в синтезируемом белке. -Аминокислоты,
необходимые для синтеза белка транспортируются к рибосомам посредством
тРНК, с которыми они связываются путем ацилирования 3/-ОН группы на
конце цепи тРНК.
тРНК имеет антикодоновую ветвь, содержащую тринуклеотид - антикодон,
который соответствует переносимой ею аминокислоте. На рибосоме тРНК
прикрепляются антикодоновыми участками к соответствующим кодонам
мРНК. Специфичность стыковки кодона и антикодона обеспечивается их
комплементарностью. Между сближенными аминокислотами образуется
пептидная связь. Таким образом реализуется строго определенная
последовательность соединения аминокислот в белки, закодированная в
генах.
