§ 28*. Азотсодержащие гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Азотсодержащие гетероциклические соединения — циклические органические вещества, в кольце которых один или несколько атомов углерода заменены атомами азота. Их называют гетероциклами, потому что кольцо содержит атомы разных элементов. Такое замещение меняет распределение электронов и свойства вещества.

Пиридин — ароматическое шестичленное гетероциклическое соединение с одним атомом азота, электронная пара которого не входит в ароматическую систему. Поэтому эта пара может связывать ион водорода, а пиридин проявляет основные свойства. Пиридиновое кольцо входит в состав многих биологически важных веществ.

Пиррол — ароматическое пятичленное гетероциклическое соединение с одним атомом азота, электронная пара которого участвует в образовании ароматической системы. Из-за этого пара не может так легко присоединять протон. Пиррольное кольцо встречается, например, в строении порфиринов.

Нуклеотид — структурная единица нуклеиновых кислот, а нуклеиновые кислоты — полимеры, состоящие из нуклеотидных звеньев. Нуклеотид включает азотистое основание, углевод и остаток фосфорной кислоты. Такое определение помогает отличать отдельный «строительный блок» от длинной цепи ДНК или РНК.

Как это устроено

Гетероциклы относят к циклическим органическим веществам, потому что атомы в них соединены в замкнутую цепь, то есть образуют кольцо. Если один атом углерода заменить азотом, меняется электроотрицательность и число доступных электронов. Поэтому изменяются длины связей, ароматичность, основность и реакционная способность всего кольца.

Пиридин и пиррол имеют разные свойства не только из-за числа атомов в кольце. В пиридине неподелённая пара азота находится на орбитали, не входящей в общий ароматический контур, и может присоединить протон. В пирроле эта пара образует часть общей электронной системы, поддерживающей ароматичность, поэтому её участие в кислотно-основной реакции невыгодно.

Пятичленные и шестичленные циклы различаются числом атомов и способом распределения электронов. Пятичленные азотсодержащие кольца характерны для пиррола, а шестичленные — для пиридина и пиримидина. Пурин образуется слиянием пятичленного и шестичленного циклов, поэтому его называют конденсированной системой.

Азотистые основания нуклеиновых кислот происходят от двух типов циклических систем. Пуриновые основания — аденин и гуанин — имеют два соединённых цикла, а пиримидиновые — цитозин, тимин и урацил — одно шестичленное кольцо. Различия в группах и атомах внутри колец позволяют основаниям образовывать определённые пары.

Нуклеотид состоит из азотистого основания, углевода-пентозы и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются фосфатом одного звена с углеводом соседнего, поэтому возникает повторяющийся сахарофосфатный остов. В ДНК углеводом служит дезоксирибоза, в РНК — рибоза; последовательность оснований несёт биологическую информацию.

ДНК обычно состоит из двух взаимодополняющих цепей и хранит наследственную информацию. РНК чаще одноцепочечна и участвует в передаче этой информации, синтезе белка и регуляции процессов клетки. Основания соединяются комплементарно: аденин с тимином в ДНК или урацилом в РНК, а гуанин с цитозином.

Строение и роль азотсодержащих гетероциклов и нуклеиновых кислот

В таблице сначала ищите строение объекта, затем связывайте его с электронными особенностями и функцией. Сравнение особенно удобно для пар пиридин — пиррол и ДНК — РНК.

Разбор задач

Задача 1. Сравните пиридин и пиррол: укажите, в каком соединении неподелённая пара азота участвует в ароматической системе, и объясните различие основных свойств.

1. Определяем роль электронной пары. В пиридине она не входит в ароматическую систему, а в пирроле входит.
2. Связываем это с основностью. Пара пиридина может присоединить протон, тогда как в пирроле её использование нарушило бы ароматическую устойчивость.
3. Делаем вывод: пиридин — более сильное основание, а пиррол — значительно более слабое.

Ответ: электронная пара участвует в ароматической системе у пиррола; поэтому пиридин проявляет более выраженные основные свойства.

Задача 2. Запишите комплементарную цепь ДНК для последовательности А–Т–Г–Ц–А и укажите замены оснований при переходе от ДНК к РНК.

1. Подбираем пары: А соединяется с Т, Т — с А, Г — с Ц, Ц — с Г.
2. Получаем вторую цепь: Т–А–Ц–Г–Т.
3. При переходе к РНК тимин заменяется урацилом, поэтому пара А–Т становится парой А–У; остальные основания сохраняются.

Ответ: комплементарная цепь — Т–А–Ц–Г–Т; в РНК вместо тимина используется урацил.

Задача 3. В двуцепочечной ДНК содержится 20% аденина. Найдите содержание остальных оснований и число каждого основания в фрагменте из 1000 нуклеотидов.

1. По правилу Чаргаффа аденина столько же, сколько тимина: Т = 20%.
2. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 40% = 60%, поэтому Г = Ц = 30%.
3. В 1000 нуклеотидов это 200 молекул А, 200 Т, 300 Г и 300 Ц.

Ответ: А — 20% и 200, Т — 20% и 200, Г — 30% и 300, Ц — 30% и 300.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой атом азота одинаково влияет на ароматичность. Её допускают, потому что видят один и тот же элемент, не учитывая положение электронной пары. Проверьте, входит ли эта пара в общий ароматический контур.

Ошибка: считать пиррол более сильным основанием из-за наличия азота. На самом деле его электронная пара занята поддержанием ароматичности, поэтому хуже связывает протон. Сравнивайте не число атомов азота, а доступность электронной пары.

Ошибка: называть нуклеотид азотистым основанием. Основание — лишь одна часть нуклеотида, который также содержит углевод и фосфат. Для проверки перечислите все три составляющие.

Ошибка: записывать урацил в комплементарной цепи ДНК или соединять аденин с гуанином. В ДНК используются тимин и пары А–Т, Г–Ц. Урацил появляется при переходе к РНК и не заменяет цитозин.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении органических веществ, функциональных группах, ковалентной связи и ароматических системах. Они помогают объяснить замкнутое строение гетероциклов и распределение электронов.

Также пригодятся представления о диссоциации кислот и оснований, углеводах и фосфорной кислоте. Эти знания позволяют понять основность пиридина и состав нуклеотида.

Тема связана с генетикой, наследственностью, биосинтезом белка и клеточным обменом веществ. Нуклеотиды участвуют не только в хранении информации, но и в переносе энергии.

Что запомнить

• Гетероцикл содержит в кольце атом или атомы, отличные от углерода.
• В пиридине электронная пара азота не входит в ароматическую систему, а в пирроле входит.
• Пурин состоит из двух конденсированных циклов, а пиримидин — из одного шестичленного цикла.
• Нуклеотид включает азотистое основание, углевод и остаток фосфорной кислоты.
• ДНК содержит дезоксирибозу и тимин, а РНК — рибозу и урацил.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• Нуклеиновые кислоты являются полимерами, хранящими и передающими наследственную информацию.