Пурина как азотистое основание¶
Пурина — гетероциклическое органическое соединение, конденсированная бициклическая система, состоящая из пиримидинового и имидазольного колец. Брутто-формула C₅H₄N₄. Пурина является ключевым структурным фрагментом пуриновых азотистых оснований — аденина и гуанина, входящих в состав нуклеиновых кислот, а также многих биологически активных соединений: кофеина, мочевой кислоты, теофиллина, теобромина, АТФ и других. В свободном виде в природе встречается редко, обычно в составе производных.
¶Химическое строение
Молекула пурина образована двумя конденсированными гетероциклами:
- пиримидиновое кольцо — шестичленный цикл с двумя атомами азота в положениях 1 и 3;
- имидазольное кольцо — пятичленный цикл с двумя атомами азота в положениях 7 и 9.
Нумерация атомов в пуриновой системе специфична: атомы азота и углерода пиримидинового кольца получают номера 1–6, а имидазольного — 7–9. Атомы углерода обозначаются цифрами 2, 4, 5, 6, 8. Такая нумерация закреплена в правилах ИЮПАК и используется во всей биохимической литературе.
Пурин — ароматическая система: 10 π-электронов делокализованы по обоим кольцам, что придаёт молекуле устойчивость. Атомы азота в положениях 1, 3, 7, 9 являются потенциальными центрами протонирования; соединение проявляет слабые основные свойства (pKₐ около 2,4 для протонированной формы). Пурин плоский, хорошо растворим в воде и полярных органических растворителях.
¶История открытия и изучения
Пуриновое ядро было впервые выделено в 1819 году из мочевой кислоты, полученной из мочевых камней. Термин «пурин» предложил в 1884 году немецкий химик Эмиль Фишер, объединивший в одном названии «purum uricum» (чистая мочевая кислота) и «uricum» — от латинского urina (моча). Фишер синтезировал пурин в 1898 году и установил структуру многих его производных, за что в 1902 году получил Нобелевскую премию по химии.
В 1880-х годах швейцарский химик Герман Эмиль Фишер (однофамилец) изучал кофеин и теобромин. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик установили, что пуриновые основания аденин и гуанин образуют комплементарные пары с пиримидиновыми основаниями в структуре ДНК.
¶Пуриновые основания
К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин — важнейшие компоненты нуклеиновых кислот.
| Основание | Формула | Роль |
|---|---|---|
| Аденин (6-аминопурин) | C₅H₅N₅ | Входит в ДНК, РНК, АТФ, НАД, ФАД |
| Гуанин (2-амино-6-оксопурин) | C₅H₅N₅O | Входит в ДНК, РНК, ГТФ, циклический ГМФ |
| Гипоксантин | C₅H₄N₄O | Промежуточный продукт распада пуринов |
| Ксантин | C₅H₄N₄O₂ | Предшественник мочевой кислоты |
| Мочевая кислота | C₅H₄N₄O₃ | Конечный продукт пуринового обмена у человека |
В молекулах ДНК и РНК аденин образует две водородные связи с тимином (или урацилом), гуанин — три водородные связи с цитозином. Это лежит в основе принципа комплементарности и механизмов репликации, транскрипции и трансляции.
¶Метилксантины
К метилированным производным пурина (метилксантинам) относятся кофеин (1,3,7-триметилксантин), теофиллин (1,3-диметилксантин) и теобромин (3,7-диметилксантин).
- Кофеин содержится в кофе, чае, какао, орехах кола; является стимулятором центральной нервной системы, блокирует аденозиновые рецепторы.
- Теофиллин применяется в медицине как бронхолитик при бронхиальной астме и ХОБЛ.
- Теобромин содержится в какао-бобах, оказывает мягкое стимулирующее и диуретическое действие.
Эти соединения — одни из самых распространённых психоактивных веществ в мире. Их метаболизм в организме человека связан с ферментами цитохрома P450.
¶Пуриновый обмен
Пуриновый обмен — совокупность биохимических реакций синтеза и распада пуриновых нуклеотидов. Синтез пуринов de novo начинается с рибозо-5-фосфата и включает до 11 последовательных реакций, приводящих к образованию инозиновой кислоты (ИМФ) — первого пуринового нуклеотида. Далее ИМФ превращается в адениловую (АМФ) и гуаниловую (ГМФ) кислоты.
Распад пуринов у человека завершается образованием мочевой кислоты, которая выводится почками. Нарушения пуринового обмена приводят к ряду заболеваний:
- подагра — отложение кристаллов уратов в суставах и тканях, сопровождается острыми болями;
- гиперурикемия — повышенный уровень мочевой кислоты в крови;
- синдром Леша — Найхана — наследственный дефицит фермента ГГФРТ, проявляется умственной отсталостью, самоагрессией, гиперурикемией;
- мочекаменная болезнь — образование уратных камней в почках.
Для лечения подагры применяют аллопуринол — структурный аналог гипоксантина, ингибирующий ксантиноксидазу и снижающий синтез мочевой кислоты.
¶Применение и значение
Производные пурина широко используются в медицине и фармакологии:
- противовирусные препараты — ацикловир, ганцикловир (аналоги гуанина) применяются при герпесе и цитомегаловирусе;
- противоопухолевые средства — меркаптопурин, тиогуанин, флударабин;
- иммунодепрессанты — азатиоприн применяется при трансплантации органов и аутоиммунных заболеваниях;
- бронхолитики — теофиллин и его производные;
- психостимуляторы — кофеин в составе напитков и лекарств.
В молекулярной биологии пуриновые нуклеотиды (АТФ, ГТФ) служат универсальными источниками энергии в клетке. АТФ — основной энергетический носитель, ГТФ участвует в синтезе белка и сигнальных процессах.
¶Интересные факты
- Мочевая кислота была известна ещё в древности: её называли «камнем подагры» и использовали как краситель.
- Пуриновые основания обнаружены в метеоритах, что свидетельствует о возможности их абиогенного синтеза в космосе.
- Кофеин — самое распространённое психоактивное вещество на планете; ежедневно его потребляют миллиарды людей.
- В организме взрослого человека содержится около 1 грамма пуриновых нуклеотидов, которые постоянно обновляются.
¶Источники
- Кольман Я., Рём К.-Г. «Наглядная биохимия»
- Ленинджер А. «Основы биохимии»
- Страйер Л. «Биохимия»
- Нельсон Д., Кокс М. «Основы биохимии Ленинджера»
- Материалы ИЮПАК по номенклатуре гетероциклических соединений