НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ - АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Цели урока. Дать понятие об азотсодержащих гетероциклах и азотистых основаниях и на этой основе рассмотреть строение ДНК и РНК в сравнении. Раскрыть биологическую роль этих биополимеров. Познакомить учащихся с биотехнологией и генной инженерией.

Оборудование: плакаты с формулами пиримидиновых и пуриновых оснований, модель двойной спирали ДНК.

I. Вводная часть урока

На предыдущих уроках учащиеся усвоили, что главными молекулам» органической химии — молекулами жизни — являются белки. Учитель подчеркивает, что их строение специфично для каждого организма, а живая клетка представляет собой уникальную биохимическую лабораторию по синтезу белковых молекул. Затем учитель ставит проблемный вопрос: как же клетка получает инструкцию, в какой последовательности соединять друг с другом аминокислоты, чтобы получить требуемую молекулу белка? Долгое время для биохимиков это оставалось загадкой.

Объяснение — ответ на поставленный вопрос может быть, например, следующим. Раскрытие тайны биосинтеза белка началось с 1869 г., когда швейцарский врач Фридрих Мишер выделил из остатков клеток, содержащихся в гное, неизвестное ранее вещество. В его состав помимо углерода, водорода и кислорода входили азот и фосфор. Мишер назвал вещество нуклеином (от латинского nucleus — ядро), поскольку полагал, что оно содержится только в ядрах клеток. Немного позже было показано, что нуклеин — это сложный биологический объект, состоящий из белковой составляющей и кислотной части, которую назвали нуклеиновой кислотой. Каково же химическое строение нуклеиновых кислот? В классах с углубленным изучением химии следует предварительно дать понятие об азотсодержащих гетероциклах и азотистых основаниях, входящих в состав нуклеиновых кислот.

II. Азотсодержащие гетероциклы и азотистые основания

В качестве повторения пройденного материала учитель просит ребят прокомментировать схему классификации органических соединений, представленную на рисунке 1. Все термины ребятам уже знакомы, кроме одного — гетероциклические соединения. Однако они без труда формулируют, что гетероциклы содержат в своем составе замкнутую цепочку атомов углерода и какого-либо иного элемента.

Гетероциклические соединения представляют собой обширную и чрезвычайно важную группу органических веществ. Наиболее распространенными и важными из них являются азот-, кислород- и серосодержащие гетероциклы. Классифицируют гетероциклические соединения по числу и природе гетероатомов в цикле, а также по числу, взаимному расположению и размеру циклов. Учитель сразу ограничивает эту необъятную область органической химии азотсодержащими гетероциклами, которые играют исключительно важную роль в биохимических процессах.

В природе встречаются гетероциклические соединения, содержащие шестичленные циклы с одним или двумя атомами азота. Они, в частности, могут являться производными пиридина и пиримидина.

Пиридин представляет собой простейший ароматический азотсодержащий гетероцикл. Его молекулярная формула C₅H₅N. Его можно рассматривать как аналог бензола, в котором одна группа СН в цикле замещена на атом азота:

По электронному строению пиридин также напоминает бензол. Все атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. Шесть электронов (по одному от каждого атома цикла), находящихся на негибридизованных p-орбиталях, образуют π-электронную ароматическую систему. Два оставшихся неспаренных электрона атома азота участвуют в образовании двух σ-связей с соседними атомами углерода, два спаренных электрона не участвуют в образовании связей, что и обуславливает наличие у пиридина основных свойств:

Производные пиридина широко распространены в природе и играют важную роль в функционировании живых организмов. Например, никотиновая кислота и ее амид относятся к витаминам группы В. Суточная норма потребления никотиновой кислоты для взрослого человека составляет 15 мг.

Примером шестичленного гетероцикла с двумя гетероатомами является пиримидин. Молекулярная формула этого гетероцикла C₄H₄N₂, его можно рассматривать как производное бензола, в котором две группы СН в мета-положении друг относительно друга замешены на атомы азота:

Основные свойства пиримидина выражены слабее, чем у пиридина.

Производные пиримидина также очень широко распространены в природе и участвуют во многих важнейших биологических процессах. Ядро этого гетероцикла содержится в витамине В₁, некоторых антибиотиках. Пиримидиновое кольцо входит в состав очень важных природных соединений, о которых упоминалось в начале урока,— нуклеиновых кислот. Такими производными, имеющими общее название пиримидиновые основания, являются урацил, цитозин и тимин:

Каждое из этих веществ может существовать в двух формах. В свободном состоянии пиримидиновые основания имеют ароматическую структуру, в составе нуклеиновых кислот — NH-форму.

Аналогично шестичленным гетероциклам, пятичленные также могут содержать один, два или более гетероатомов. Примером пятичленного азотсодержащего гетероцикла с двумя гетероатомами является имидазол:

Как видно из приведенной формулы, атомы азота в этом соединении имеют различные свойства. Тот из них, который связан с атомом водорода, называется пиррольным, а второй — пиридиновым. Благодаря этому имидазол имеет амфотерный характер. Пиррольный азот придает соединению слабые кислотные свойства, а пиридиновый — основные.

Имидазол обладает ароматическим характером, поскольку содержит в замкнутом цикле шесть электронов: по одному от атомов углерода и пиридинового азота и два от атома азота пиррольного типа. Как следствие, для него характерны реакции электрофильного замещения: галогенирование, нитрование сульфирование.

Имидазол широко применяется для синтеза красителей, лекарственных препаратов, гербицидов. Он входит в состав многих природных соединений.

Существуют гетероциклические соединения, содержащие в своем составе не один, а два или более циклов. Если эти циклы имеют одну общую химическую связь (общую «сторону»), они называются конденсированными. Например, молекула гетероцикла пурина состоит из конденсированных пиримидинового и имидазольного циклов. Это соединение также имеет ароматический характер и амфотерно. Биологическое значение пурина очень велико, поскольку этот гетероцикл входит в состав пуриновых оснований, которые наряду с пиримидиновыми являются составной частью нуклеиновых кислот. Такие основания называются аденин и гуанин.

Гуанин, подобно пиримидиновым основаниям, может существовать в двух формах, различающихся строением шестичленного цикла.

III. Нуклеотиды

Учитель спрашивает класс, какие природные полимеры ребятам известны? Это полисахариды и белки. Какие вещества служат мономерами для построения этих макромолекул? Полисахариды состоят из остатков моносахаридов, белки — из остатков α-аминокислот.

Нуклеиновые кислоты также представляют собой природные полимеры. Их полимерные цепочки состоят из более сложных звеньев, называемых нуклеотидами.

Нуклеотидом называется молекула, состоящая из остатка моносахарида (рибозы или дезоксирибозы), гетероциклического азотистого основания (пиримидинового или пуринового) и фосфорной кислоты (одной, двух или трех молекул, соединенных между собой и с углеводом).

Для общеобразовательных классов детализировать структуру нуклеотидов не обязательно. Учащиеся должны схематически представлять строение молекулы:

В профильных классах учитель конкретизирует строение нуклеотида. Центральной частью молекулы является цикл углевода. Соединение гетероциклического основания с ним осуществляется за счет гликозидной связи. Остаток фосфорной кислоты образует сложноэфирную связь с С(5) или С(3) моносахарида. В качестве примера учитель приводит формулы одного-двух нуклеотидов пиримидинового и пуринового ряда:

При отщеплении от нуклеотидов остатка фосфорной кислоты в результате гидролиза образуются соответствующие нуклеозиды. Молекула нуклеотида может содержать не один, а два или три остатка фосфорной кислоты, связанных друг с другом в цепочку. Они называются соответственно нуклеотиддифосфаты и нуклеотидтрифосфаты.

Нуклеотиды являются промежуточными продуктами обмена веществ в организме. Важнейшие из них встречаются в свободном состоянии, это аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ). При образовании АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит накопление энергии, поэтому АТФ является богатым энергией соединением. При расщеплении АТФ накопленный энергетический запас высвобождается и используется организмом для протекания других реакций:

IV. Дезоксирибонуклеиновые кислоты

Учитель опирается на знание учащихся по курсу общей биологии и поэтому эта часть урока проводится в форме объяснения с элементами беседы.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты встречаются преимущественно в ядре клеток и представляют собой природные полимеры с молекулярной массой от 500 ООО до многих миллионов. Молекула ДНК построена путем соединения друг с другом отдельных нуклеотидов, содержащих в качестве моносахаридного фрагмента дезоксирибозу. Используя приведенную выше упрощенную схему изображения нуклеотида, полимерную цепь с составе ДНК можно изобразить так:

Учитель просит ребят внимательно рассмотреть соответствующий рисунок в учебнике. Связь в полимерной цепи осуществляется за счет остатка фосфорной кислоты одного нуклеотида и гидроксильной группы при 3-м атоме углерода дезоксирибозы другого нуклеотида. Сложно рисовать подобные формулы? Безусловно! Поэтому химики совместно с биологами придумали облегченный вариант. Для этого каждое из пяти азотистых оснований обозначили одной буквой латинского (есть и русскоязычный вариант) алфавита: урацил U, цитозин С, тимин Т, аденин А и гуанин G. Фосфорно-углеводный скелет в полимерной цепочки ДНК совершенно одинаков, специфична только последовательность азотистых оснований. Значит, ни химическая, ни биологическая сущность не пострадает от такого обозначения (для участка, изображенного в учебнике):

ДНК содержат в качестве оснований остатки аденина, гуанина, цитозина и тимина, но не содержат остатки урацила. Отдельные ДНК различаются между собой соотношением различных оснований и последовательностью соединения нуклеотидов, то есть первичной структурой.

Одним из величайших достижений XX в. считается расшифровка вторичной структуры ДНК. Совершили это открытие в 1953 г. два выдающихся ученых Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон. Англичанин по происхождению, физик по образованию и биохимик от Бога, Ф. Крик в том году отметил свое 37-летие, а американцу Д.Уотсону исполнилось всего 25! Открытие строения ДНК положило основу работ по молекулярной генетики, генной инженерии и биотехнологии и было заслуженно оценено присуждением этим ученым в 1962 г. Нобелевской премии по медицине и физиологии.

Ключевым моментом в теории Уотсона—Крика стало понимание того, что азотистые основания в одной цепочке ДНК могут попарно образовывать водородные связи с азотистыми основаниями другой цепочки ДНК: тимин с аденином (Т—А), а цитозин — с гуанином (С—G). В первой паре основания связаны двумя водородными связями, во второй — тремя:

Такая избирательность в образовании водородных связей называется комплементарностъю.

Молекула ДНК представляет собой двойную спираль и состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси. Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали, а остатки фосфорной кислоты — снаружи (рис. 42 учебника). На полный виток спирали приходится примерно 10 нуклеотидов. Таким образом, две спирали в молекуле ДНК комплементарны друг другу, последовательность нуклеотидов в одной из них однозначно определяет строение другой.

Двухспиральная структура ДНК с комплементарными полинуклеотидными цепями обеспечивает возможность самоудвоения (репликации) этой молекулы. Этот сложный процесс можно упрощенно представить следующим образом. Перед удвоением водородные связи разрываются, и две цепи раскручиваются и расходятся. Каждая цепь затем служит матрицей для образования на ней комплементарной цепи (рис. 44).

Рис. 44. Схема репликации ДНК. Верхняя часть спирали — старая ДНК, нижняя часть — две новые молекулы

Таким образом, после репликации образуются две дочерние молекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль взята из родительской ДНК, а другая (комплементарная) спираль синтезирована заново. Синтез новых цепей в организме происходит с участием фермента ДНК-полимеразы.

Длина полинуклеотидных цепей практически не ограничена. Число пар оснований в двойной спирали может меняться от нескольких тысяч у простейших вирусов до сотен миллионов у человека.

V. Рибонуклеиновые кислоты

В клетках любого живого организма находится еще один тип биополимеров, построенный из остатков нуклеотидов — рибонуклеиновые кислоты (РНК). Особенностью их строения является присутствие в качестве моносахаридной части фрагмента рибозы.

В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной гюлинуклеотидной цепи. Число нуклеотидов может колебаться от сотни до нескольких тысяч, что значительно меньше, чем в ДНК. В качестве оснований нуклеотиды рибонуклеиновых кислот содержат остатки аденина, гуанина, цитозина, урацила и значительно реже — тимина.

Полинуклеотидная цепь РНК не имеет строго определенной структуры. Она может накладываться сама на себя, образуя отдельные двухцепочные участки с водородными связями между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями.

Различают три вида РНК: информационную (иРНК), транспортную (тРНК) и рибосомную (рРНК). Каждый вид играет собственную роль в построении белковой молекулы. О том, как это происходит, учитель расскажет чуть позже. А пока необходимо уяснить, как в цепи РНК закодирована последовательность аминокислот, составляющих белковую молекулу.

Полимерная цепи РНК, представляющая собой чередование остатков рибозы и фосфорной кислоты, является своего рода «бельевой веревкой», на которой подвешены в определенной последовательности азотистые основания. Они-то и кодируют очередность связей аминокислот в белке. Каким образом?

Учитель предлагает ребятам предположить, что каждое азотистое основание соответствует одной аминокислоте. Последовательность оснований в РНК будет соответствовать очередности аминокислот. Но тогда белковые молекулы состояли бы только из четырех различных аминокислот. Но это не так. Учащиеся должны вспомнить, что в состав белков входят 20 а-аминокислот. Предположим, что одну аминокислоту кодирует не одно, а два соседних основания. Различным сочетанием четырех таких гетероциклов можно построить 4² = 16 комбинаций. До 20 все равно не дотягиваем. Оказалось, что одна аминокислота зашифрована последовательностью трех азотистых оснований — триплетом в цепи РНК, так называемым троичным кодом или кодоном. Например, аминокислота аланин кодируется кодоном GCU, глицин — GGA, серии — UCU. Но ведь число комбинаций из трех оснований равно 4³ = 64? Выяснилось, что многие аминокислоты могут быть закодированы несколькими способами. Тот же аланин помимо GCU соответствует кодонам GCC, GCA и GCG. А вот для фенилаланина предусмотрено только два кодона — UUU иUUC. Оставшиеся три кодона обозначают прекращение строительства белковой молекулы: UAA, UAG и UGA.

Учитель подчеркивает, что генетический код универсален. Включение в белковую молекулу аминокислоты метионина, например, осуществляется одним и тем же кодоном AUG для любого живого организма от кишечной палочки, плакучей ивы, дождевого червяка до человека. Этот факт является еще одним доказательством единого происхождения всего живого на Земле.

VI. Биосинтез белка в живой клетке

В курсе биологии школьники изучают тему «Биосинтез белка», поэтому данный урок является классическим для реализации межпредметных связей и по возможности должен быть интегрированным.

Молекулы ДНК, содержащиеся в ядре клетки, содержат зашифрованную информацию о строении всех белков данного организма. Участок ДНК, ответственный за синтез белка определенного вида, называется геном. Полный набор всех генов в организме получил название геномом. Впервые полностью расшифровать геном удалось в 1987 г. для бактерии Escherichiacoli. Он состоял примерно из пяти миллионов пар оснований и содержал около 300 генов. Следовательно, бактерия могла синтезировать 300 различных белковых молекул.

Естественно, ученые начали интенсивные работы по расшифровке генома человека. Решение о финансировании и проведении таких исследований было принято в 1988 г. и было рассчитано на 15 лет. И вот — первое выдающееся открытие XXI в. В начале 2001 г. ученые-генетики из 18 стран, работающие по международной программе «Геном человека», досрочно сообщили о его полной расшифровке! Прогноз о том, что человеческий геном состоит из 100 000 генов, оказался завышенным почти в 2,5 раза. Наш организм может продуцировать около 35 000-45 000 белков, что немногим более, чем для мухи-дрозофилы или банана. Правда, характерные особенности человека (например, выдающиеся музыкальные способности) кодируются не одним геном, а сочетанием нескольких. Понятно, что число таких комбинаций астрономически велико.

При объяснении процесса биосинтеза белка учителю поможет схема, представленная на рисунке 45. Синтез белка в клетках высших организмов состоит из следующих основных стадий.

1. Информация о структуре белка, закодированная в ДНК, переносится на иРНК.

2. Информационная РНК переносит кодоны, определяющие последовательность аминокислот в белке, от ядра клетки к рибосомам, где осуществляется синтез.

3. Транспортные РНК собирают в цитоплазме клеток аминокислоты и также доставляют их в рибосому.

4. Молекулы тРНК узнают соответствующие кодоны иРНК и связываются с ними с помощью антикодонов. Основание G в антикодоне специфически «узнает» основание С в кодоне (и наоборот), точно так же «узнают» друг друга основания А и U. Поэтому, например, антикодон CGG присоединяется к кодону GCC.

5. После присоединения аминокислот друг к другу транспортная РНК покидает рибосому и отправляется в цитоплазму за новой молекулой аминокислоты.

6. Рибосома катализирует образование белка в клетках. Она представляет собой сложное образование, состоящее из нескольких белковых молекул, связанных с РНК третьего типа — рибосомной (рРНК). Когда в клеточной жидкости рибосома встречает информационную РНК, она движется вдоль нее, как бусинка по цепочке, считывает код и регулирует реакции присоединения аминокислот.

Рибосомы — это своеобразные «фабрики» по производству белковых молекул. Производительность их просто поразительна: для построение полипептида из 350 аминокислот при благоприятных условиях требуется всего около 10 секунд!

Рис. 45. Схема биосинтеза белка в клетке

VII. Генная инженерия и биотехнология

При подготовке к данному разделу урока учитель может использовать обширный материал, регулярно появляющийся в центральной периодической печати, а также часть II курса Солтерсовской химии¹. Поскольку это издание есть далеко не во всех школьных библиотеках, позволим себе близко к оригиналу пересказать соответствующий раздел.

Каждая клетка в организме человека содержит полный набор генов. В том числе в ДНК имеется ген, который отвечает, например, за синтез инсулина (учитель просит ребят вспомнить, что они знают про инсулин). Однако «включается» этот ген только в особых клетках поджелудочной железы, которые продуцируют этот гормон (в так называемых β-клетках островков Лангерганса).

Инсулин - важнейший препарат, используемый для лечения сахарного диабета. Задача искусственного получения этого гормона белковой природы была решена в 80-х гг. XX в.

Первым из предложенных путей получения инсулина был следующий. Предлагалось взять клетки поджелудочной железы, вырастить колонию таких клеток, обеспечить их необходимыми аминокислотами в качестве «строительного материала» построения цепочки инсулина, а затем выделить готовый продукт. К сожалению, этот путь реализовать невозможно: человеческие клетки тогда еще было нельзя вырастить подобным образом.

Однако технология выращивания других, более грубых типов клеток, в особенности клеток бактерий и дрожжей, хорошо разработана. Бактерии используются при получении таких химических веществ, как молочная и лимонная кислоты. Пивовары на протяжении тысячелетий используют дрожжи для превращения сахаров в этанол. Относительно недавно стали производить в биореакторах такие лекарственные вещества, как пенициллин и окситетрациклин, используя плесневые грибки. Процесс получения различных веществ и продуктов с применением клеток микроорганизмов или ферментов называется биотехнологией.

В последние годы ученые научились встраивать гены высших организмов, в том числе человека, в клетки бактерий или дрожжей. Эти клетки можно использовать затем для синтеза белков. Подобным образом удалось заставить «работать» ген инсулина. Человеческий инсулин был впервые получен с помощью бактерий E.coli и стал доступен в 1982 г. Позднее для этой цели были использованы клетки дрожжей, которые больше похожи на клетки человека. На рисунке 46 представлена общая схема получения человеческого инсулина с помощью клеток микроорганизмов.

Рис. 46. Схема получения инсулина методом генной инженерии

Извлечение генов из клеток организмов одного типа и вживление их в клетки организмов другого типа называется генной инженерией, или технологией рекомбинантных ДНК.

Такие белки, как инсулин, человеческий гормон роста соматотропин и фактор VIII (или коагулирующий фактор — вызывает свертывание крови, применяют при гемофилии),— это продукты генной инженерии. Важнейшее преимущество этих препаратов состоит в том, что они дешевле и чище, чем вещества, полученные традиционным путем. Например, произведенный методом генной инженерии фактор VIII исключает риск заболевания СПИДом, который существует, когда препарат готовят из донорской крови.

Применение и тем более потенциальные возможности генной инженерии простираются гораздо дальше получения медицинских препаратов.

Иммунная система человека защищает его от вирусной инфекции, распознавая слой белка в оболочке вируса. Если методом генной инженерии произвести только этот белок (без опасного содержимого - вируса) и сделать инъекцию, то препарат будет работать как вакцина. Вакцина против гепатита В получена и действует именно таким образом.

Модифицированные бактерии и грибы, которые преобразуют потенциально вредные соединения в безвредные, метут широко использоваться предприятиями и организациями по защите окружающей среды. Составив генетический набор из нескольких бактерий, можно получить, например, новые «нефтепожирающие супермикробы». Бактерии выбраны для этой цели потому, что в их обмене веществ используются разные компоненты сырой нефти. Если приготовить комбинацию из соответствующих генов всех бактерий, то бактерия-носитель этой комбинации сможет разлагать все соединения, содержащиеся в сырой нефти.

Для борьбы с сорняками и вредителями методами генной инженерии используют два подхода. Во-первых, гены, определяющие устойчивость растений к действию пестицидов и гербицидов, трансплантируют в штаммы сельскохозяйственных культур. При обработке полей соответствующими препаратами вредители и сорняки уничтожаются без ущерба для культурных растений. Во-вторых, некоторые растения производят свои собственные пестициды. Гены, отвечающие за продуцирование токсичных для вредных насекомых белков, вводят в клетки томатов или зерновых. Это уменьшает потребность в искусственных пестицидах.

С помощью генной инженерии производят селекцию сельскохозяйственных культур. Гены, ускоряющие фотосинтез или увеличивающие устойчивость к засухе, могут быть встроены в клетки растений с целью сделать эти растения пригодными для выращивания в менее солнечных или более засушливых местностях. Дальнейшее развитие этой технологии может расширить область ее применения, распространив ее на гены, отвечающие, например, за связывание атмосферного азота, что позволит уменьшить потребность в минеральных удобрениях.

Задание 1

1-й уровень

Массовые доли углерода, водорода и азота в веществе равны соответственно 75,95%, 6,33% и 17,72%. Найдите простейшую формулу вещества.

2-й уровень

При сжигании образца азотсодержащего гетероциклического соединения, не содержащего заместителей в кольце, образовалось 0,75 моль СО₂, 0,375 моля воды и 0,075 моля азота. Установите формулу исходного соединения.

Задание 2

1-й уровень

Какие частицы составляют элементарное звено молекулы ДНК: моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды или нуклеозиды? Остатки каких молекул входят в состав нуклеозидов и нуклеотидов?

2-й уровень

Одна из нитей ДНК имеет следующую последовательность оснований: CCGTAG. Напишите соответствующую последовательность оснований в комплементарной нити ДНК и цепочке иРНК, которая скопирована с вышеуказанной. Учтите, что водородные связи А...Т в ДНК аналогичны взаимодействию A...U между основаниями в ДНК и РНК.

---

¹ Химия и жизнь (Солтерсовская химия). Часть II. Химические новеллы: Пер. с англ. — М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1997 — 437 с., ил.