?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Введение в биологию (VII)
caenogenesis
Тема VII
НУКЛЕОТИДЫ


Вспомним, как устроена молекула бензола. Шесть атомов углерода замкнуты в кольцо, половина связей в котором - двойные; свободные валентности, как и всегда, по умолчанию заняты атомами водорода. Именно эта молекула напомнила Фридриху Августу Кекуле кольцо из переплетающихся змей. А теперь сделаем новый для нас шаг. Заменим в бензольном кольце два атома углерода (любые, но не соседние, а расположенные через один) на атомы азота. У нас получится следующая структура:



Перед нами шестичленный цикл с двойными связями, в двух из шести узлов которого вместо углерода стоит азот. Эта молекула называется пиримидином. Слева - полная графическая формула, в центре - сокращенная, а справа показана принятая для пиримидина и всех его производных нумерация атомов. Запоминать ее не надо, но знать, что она в принципе существует, полезно.



Присоединив к пиримидиновому ядру две гидроксильные группы (-OH), мы получим соединение, которая называется урацил. Формально говоря, это спирт, хотя и очень своеобразный. Однако у урацила есть одно интересное свойство: он может легко изомеризоваться, превращаясь из спирта в кетон. Расположение двойных связей при этом меняется, но молекула все равно остается урацилом. На картинке кето-форма урацила показана в двух изображениях - полном и сокращенном. Последнее, конечно, используют чаще, ведь расположение атомов углерода и водорода из такой формулы все равно однозначно выводится.



А вот еще два производных пиримидина. Тимин - модификация урацила, отличающаяся от него одной-единственной присоединенной метильной группой (-CH3). Цитозин тоже можно вывести из урацила, если "вместо" одной из гидроксильных групп присоединить аминогруппу (-NH2). Собирательно молекулы такого типа называют азотистыми основаниями, потому что входящий в них азот проявляет основные свойства (примерно как в той же аминогруппе). Само по себе это для нас особого значения не имеет - просто объясняет, откуда взялось название. Урацил, тимин и цитозин суть пиримидиновые азотистые основания. Все они могут существовать как в спиртовой форме, так и в кето-форме.



Более сложная молекула, где к пиримидиновому шестичленному циклу добавлено еще одно кольцо - пятичленное, с двумя атомами азота. Такое соединение называется пурином. Левая и правая формулы тут отличаются только тем, что справа проставлена нумерация атомов углерода - не для запоминания, а просто для ориентировки. Формулы сокращенные: на самом деле их и воспринимать легче, вырисовывать каждый атом тут уже совсем не надо. К пуринам относится довольно много интересных субстанций - например, мочевая кислота (один из конечных продуктов распада белков) и кофеин (популярное биологически активное вещество, которое содержится в некоторых растениях и возбуждающе действует на нервную систему).

пурины.png

Важнейшие для нас сейчас производные пурина - аденин и гуанин. В аденине к шестичленному кольцу присоединена одна аминогруппа. В гуанине при шестичленном кольце тоже есть аминогруппа (в другом месте), а еще есть гидроксильная группа, которая после изомеризации превращается в кетогруппу.



Итоговая картинка - все пять азотистых оснований, которые нужно знать для того, чтобы понимать биологию: аденин, гуанин (пуриновые), цитозин, урацил, тимин (пиримидиновые). Все они изображены в кето-форме, потому что - это важнейший биохимический факт - именно в таком виде азотистые основания практически всегда существуют в физиологических условиях. Дальше мы только с кето-формами и будем иметь дело, а о спиртовых временно забудем. Сказанное относится ко всем азотистым основаниям, кроме аденина, у которого никаких спиртовых и кето-форм просто нет.
Пять азотистых оснований, с которыми мы познакомились - с биологической точки зрения главные. Не секрет, что они используются земными живыми организмами для хранения и передачи генетической информации; как именно это происходит, мы пока "не знаем", хотя уже довольно скоро узнаем. Но почему участниками информационных процессов оказались именно эти пять оснований, а не какие-то другие родственные им? Ведь разных азотистых оснований, и пиримидиновых и пуриновых, можно придумать очень много.
Ответ на этот вопрос надо, как всегда, искать в прошлом, причем в данном случае в очень далеком прошлом. Сейчас точно известно, что биохимическая эволюция азотистых оснований началась задолго до возникновения жизни, а скорее всего, даже до возникновения Земли. Тут дело обстоит точно так же, как и с аминокислотами. В большинстве углеродсодержащих (так называемых углистых) метеоритов при тщательном химическом анализе были найдены азотистые основания. В общей сложности их там не меньше десятка, и по структуре молекул они довольно разнообразны (Callahan et al., 2011).

Эта картинка - всего лишь пример. На ней показан возможный путь синтеза двух весьма экзотичных азотистых оснований - 2,6-диаминопурина и 6,8-диаминопурина. Оба их можно получить, добавив к аденину еще одну аминогруппу (в разных местах); кстати, именно тут нам пригодятся знания о нумерации атомов углерода в пуриновом двойном кольце - с их помощью можно сразу понять сложные химические названия. Главное же здесь вот что. Ни 2,6-диаминопурин, ни 6,8-диаминопурин практически не встречаются в земных живых организмах, а вот в углистых метеоритах они обнаруживаются легко. Причем их присутствие там никак нельзя объяснить биогенным загрязнением метеорита, уже упавшего на Землю, потому что на Земле этих соединений просто нет. Это - остатки добиологического разнообразия сложных молекул, которые синтезировались на ранних этапах эволюции Солнечной системы. Углистые метеориты, никогда не входившие в состав планет, служат "заповедниками" этого разнообразия, точно так же, как и в случае с аминокислотами. Разных азотистых оснований там могли быть десятки.
При возникновении жизни азотистые основания, так же как и аминокислоты, подверглись процессу, подобному естественному отбору. Одни основания оказались удачными и вошли в состав живых систем, а другие - большинство - были "отбракованы" и в состав живых систем не вошли. В итоге начальное высокое химическое разнообразие свелось к нескольким соединениям, с которыми мы сейчас в основном и имеем дело. Выбор не был случайным: предполагается, например, что одним из критериев была устойчивость оснований к ультрафиолетовому излучению Солнца, которое на древней Земле было для живых организмов серьезным фактором риска. Одна из работ, написанных на эту тему, прямо так и озаглавлена - "Выживание наиболее приспособленных до начала жизни" (Mulkidjanian et al., 2003). Естественный отбор не является уникальным свойством живых систем - он предшествовал возникновению земной жизни, а скорее всего, в большой степени ее и создал.

  • 1
Спасибо большое за ваш цикл.

Заходите) Он еще продолжается.

Да, я давно читаю. И вроде все это учила и сдавала, но у вас очень хорошо сформулировано.

Введение в биологию (сборка)

Пользователь pomarki сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию (сборка)» в контексте: [...] Введение в биологию (VII). НУКЛЕОТИДЫ [...]

Введение в биологию от caenogenesis

Пользователь m_3713 сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию от caenogenesis» в контексте: [...] Введение в биологию (VII). НУКЛЕОТИДЫ [...]

На итоговой картинке с азотистыми основаниями у аденина в пятичленном кольце пропущена двойная связь, если я правильно понял.

Действительно! Никто не заметил. Спасибо.

И Вам спасибо за эти статьи! Кстати, вопрос: это пятичленное кольцо тоже ароматическое или там обычные связи?

Пятичленное не называется ароматическим, вроде. Но в сопряжении двойных связей пятичленная часть пуринового кольца участвует. Так что не совсем обычные.

  • 1