Пурин, пуриновые основания

Бициклическая система пурина состоит из двух гетероциклов – пиримидина и имидазола, сконденсированных между собой. Открыл пурин немецкий химик Э. Фишер. Производные пурина имеют исключительное биологическое значение прежде всего потому, что входят вместе с пиримидиновыми основаниями в структуру нуклеиновых кислот и имеют, таким образом, отношение к программированию синтеза белков и к явлениям наследственности.

К таким соединениям относится аденозинтрифосфат (АТФ) – переносчик энергии в биохимических реакциях и фосфорилирующий агент.

Пурин является ароматической системой с энергией делокализации, равной 243,6 кДж/моль (для бензола – 150,7 кДж/моль). Пиримидиновое кольцо в пурине в целом имеет дефицит электронов, а имидазольное кольцо – избыток электронов. Поскольку в пурине имеет место перекрывание p-электронных облаков двух моноциклических систем, то электронная плотность в каждом цикле в определенной степени может изменяться в результате перехода электронов из имидазольного цикла в пиримидиновый.

Таким образом, пурин – это ароматическая система сильно делокализованных p-электронов, обладающая лабильной «переливающейся» электронной плотностью, в результате чего возможны таутомерные превращения. Кроме этого, эта система является прекрасным донором электронов вследствие низкой энергии высшей заполненной молекулярной орбитали.

Электронодонорные заместители в кольце пиримидина способствуют восстановлению электронной плотности в имидазольном цикле. Реакции нуклеофильного замещения в пурине идут в основном в положение 8 имидазольного кольца, но возможна атака нуклеофильными реагентами атомов углерода в положениях 2 и 6 пиримидинового цикла. Реакции электрофильного замещения возможны лишь при наличии электронодонорных заместителей в кольце пиримидина, и замещение происходит по углероду С8 имидазольного цикла.

Все реакции пуриновых соединений можно разделить на две группы: реакции по атомам азота и реакции по атомам углерода кольца. Пуриновые основания – сравнительно слабые основания, но электрофильная атака по атому азота весьма распространена, причем выбор атома азота при электрофильной атаке определяется степенью основности того или иного атома азота. В незамещенном пурине таким является N1, в мочевой кислоте алкилированию сначала подвергается N9, а затем N3 и N1; в кислой среде алкилирование замещенных пуринов происходит в основном в положение 9. Аденин, единственный их всех пуринов, показывает небольшую реакционную способность в положении 3.

Одним из ключевых соединений в синтезе пуриновых оснований служит мочевая кислота (2, 6, 8-тригидроксипурин), играющая у птиц и рептилий роль вещества, выводящего из организма избыток азота (как мочевина у млекопитающих). Соли мочевой кислоты (ураты) откладывается при неправильной работе организма в суставах и в виде почечных камней.

Аденин (6-аминопурин) является одним из наиболее распространенных пуриновых оснований:

Аденин существует практически в амино-форме, т.к. энергия делокализации для амино-формы наибольшая. В связанном виде аденин содержится в нуклеиновых кислотах и легко получается при их гидролизе. В свободном состоянии встречается в некоторых растениях (чай, сахарная свекла, хмель), в грибах, дрожжах, бактериях и т.д. Аденин является наиболее устойчивым в термодинамическом отношении соединением среди природных пуриновых и пиримидиновых оснований.

Гуанин, 2-амино-6-гидроксипурин вместе с аденином и пиримидиновыми основаниями входит в состав нуклеиновых кислот:

Наиболее устойчивой является лактамная форма, в которой гуанин и находится в природных нуклеиновых кислотах. Значительные количества гуанина содержатся в чешуе и коже рыб, пресмыкающихся и амфибий, от чего зависит их блеск.

Ксантин, 2,6-дигидроксипурин образуется в результате распада нуклеозидмонофосфатов: гуанинмонофосфата и аденинмонофосфата, существует, главным образом, в оксо-форме:

Гипоксантин, 6-гидроксипурин образуется при расщеплении аденинмонофосфата, также существует в оксо-форме:

Под действием фермента ксантиноксидазы гипоксантин затем окисляется в ксантин.