Пурин — гетероциклическое ароматическое органическое соединение , состоящее из двух колец ( пиримидинового и имидазольного ), соединенных вместе. Он растворим в воде . Пурин также дает свое название более широкому классу молекул , пуринов , которые включают замещенные пурины и их таутомеры . Они являются наиболее широко распространенными азотсодержащими гетероциклами в природе. [1]
Пурины в высокой концентрации содержатся в мясе и мясных продуктах, особенно во внутренних органах, таких как печень и почки . В целом, растительная диета содержит мало пуринов. [2] Растения и водоросли с высоким содержанием пуринов включают некоторые бобовые ( чечевица , соя и черноглазый горох ) и спирулину . Примерами источников с высоким содержанием пуринов являются: зобная железа , анчоусы , сардины , печень, говяжьи почки, мозги , мясные экстракты (например, Oxo , Bovril ), сельдь , скумбрия , гребешки , дичь , дрожжи ( пиво , дрожжевой экстракт , пищевые дрожжи ) и подливка . [3]
Умеренное количество пурина также содержится в красном мясе, говядине , свинине , птице , рыбе и морепродуктах , спарже , цветной капусте , шпинате , грибах , зеленом горошке , чечевице , сушеном горохе, фасоли , овсянке , пшеничных отрубях , зародышах пшеницы и боярышнике . [4]
Пурины и пиримидины составляют две группы азотистых оснований , включая две группы нуклеотидных оснований . Пуриновые основания - это гуанин (G) и аденин (A), которые образуют соответствующие нуклеозиды - дезоксирибонуклеозиды ( дезоксигуанозин и дезоксиаденозин ) с дезоксирибозным фрагментом и рибонуклеозиды ( гуанозин , аденозин ) с рибозным фрагментом. Эти нуклеозиды с фосфорной кислотой образуют соответствующие нуклеотиды (дезоксигуанилат, дезоксиаденилат и гуанилат, аденилат), которые являются строительными блоками ДНК и РНК соответственно. Пуриновые основания также играют важную роль во многих метаболических и сигнальных процессах в соединениях гуанозинмонофосфата (ГМФ) и аденозинмонофосфата (АМФ).
Для выполнения этих важных клеточных процессов клетке необходимы как пурины, так и пиримидины , причем в одинаковых количествах. И пурин, и пиримидин являются самоингибирующими и активирующими . Когда образуются пурины, они ингибируют ферменты , необходимые для большего образования пуринов. Это самоингибирование происходит, поскольку они также активируют ферменты, необходимые для образования пиримидинов. Пиримидин одновременно самоингибирует и активирует пурин аналогичным образом. Из-за этого в клетке всегда присутствует почти одинаковое количество обоих веществ. [5]
Пурин является как очень слабой кислотой ( pKa 8,93 ), так и еще более слабым основанием ( pKa 2,39 ). [6] При растворении в чистой воде pH находится посередине между этими двумя значениями pKa.
Пурин ароматичен , имеет четыре таутомера , каждый из которых имеет водородную связь с другим из четырех атомов азота. Они идентифицируются как 1-H, 3-H, 7-H и 9-H (см. изображение пронумерованного кольца). Общая кристаллическая форма благоприятствует таутомеру 7-H, тогда как в полярных растворителях преобладают как таутомеры 9-H, так и 7-H. [7] Заместители в кольцах и взаимодействия с другими молекулами могут смещать равновесие этих таутомеров. [8]
Существует много встречающихся в природе пуринов. Они включают нуклеотидные основания аденин и гуанин . В ДНК эти основания образуют водородные связи с их комплементарными пиримидинами, тимином и цитозином , соответственно. Это называется комплементарным спариванием оснований. В РНК комплементом аденина является урацил вместо тимина.
Другие известные пурины — гипоксантин , ксантин , теофиллин , теобромин , кофеин , мочевая кислота и изогуанин .
Помимо решающей роли пуринов (аденина и гуанина) в ДНК и РНК, пурины также являются значимыми компонентами в ряде других важных биомолекул, таких как АТФ , ГТФ , циклический АМФ , НАДН и кофермент А. Сам пурин ( 1 ) в природе не обнаружен, но его можно получить путем органического синтеза .
Они также могут функционировать непосредственно как нейротрансмиттеры , воздействуя на пуринергические рецепторы . Аденозин активирует аденозиновые рецепторы .
Слово пурин ( чистая моча ) [9] было придумано немецким химиком Эмилем Фишером в 1884 году. [10] [11] Он синтезировал его впервые в 1898 году. [11] Исходным материалом для последовательности реакций была мочевая кислота ( 8 ), которая была выделена из почечных камней Карлом Вильгельмом Шееле в 1776 году. [12] Мочевая кислота реагировала с PCl 5 с образованием 2,6,8-трихлорпурина, который был преобразован с HI и PH 4 I с образованием 2,6-дииодпурина. Продукт был восстановлен до пурина с использованием цинковой пыли.
У многих организмов имеются метаболические пути синтеза и расщепления пуринов.
Пурины биологически синтезируются в виде нуклеозидов (оснований, присоединенных к рибозе ).
Накопление модифицированных пуриновых нуклеотидов является дефектным для различных клеточных процессов, особенно тех, которые связаны с ДНК и РНК . Чтобы быть жизнеспособными, организмы обладают рядом дезоксипуриновых фосфогидролаз, которые гидролизуют эти пуриновые производные, удаляя их из активных пулов NTP и dNTP . Дезаминирование пуриновых оснований может привести к накоплению таких нуклеотидов, как ITP , dITP, XTP и dXTP. [13]
Дефекты ферментов, контролирующих выработку и распад пуринов, могут серьезно изменить последовательности ДНК клетки, что может объяснить, почему люди, являющиеся носителями определенных генетических вариантов ферментов метаболизма пуринов, имеют более высокий риск развития некоторых видов рака .
Организмы во всех трех доменах жизни, эукариоты , бактерии и археи , способны осуществлять биосинтез пуринов de novo . Эта способность отражает важность пуринов для жизни. Биохимический путь синтеза очень похож у эукариот и видов бактерий, но более изменчив среди видов архей. [14] Было установлено, что почти полный или полный набор генов, необходимых для биосинтеза пуринов, присутствует у 58 из 65 изученных видов архей. [14] Однако также было идентифицировано семь видов архей с полностью или почти полностью отсутствующими генами, кодирующими пурины. По-видимому, виды архей, неспособные синтезировать пурины, способны приобретать экзогенные пурины для роста [14] и, таким образом, являются аналогами пуриновых мутантов эукариот, например, пуриновых мутантов гриба-аскомицета Neurospora crassa [15] , которым также требуются экзогенные пурины для роста.
Более высокие уровни потребления мяса и морепродуктов связаны с повышенным риском подагры , тогда как более высокий уровень потребления молочных продуктов связан с пониженным риском. Умеренное потребление овощей или белка, богатых пуринами, не связано с повышенным риском подагры. [16] Аналогичные результаты были получены с риском гиперурикемии .
Помимо синтеза пуринов in vivo в ходе пуринового обмена , пурины также могут быть синтезированы искусственно.
Пурин получается с хорошим выходом, если формамид нагревать в открытом сосуде при 170 °C в течение 28 часов. [17]
Эта замечательная реакция и другие подобные ей обсуждались в контексте происхождения жизни . [18]
Запатентованный 20 августа 1968 года, нынешний признанный метод промышленного производства аденина представляет собой модифицированную форму метода формамида. Этот метод нагревает формамид при температуре 120 °C в герметичной колбе в течение 5 часов для образования аденина. Реакция значительно увеличивается в количестве за счет использования оксихлорида фосфора (фосфорилхлорида) или пентахлорида фосфора в качестве кислотного катализатора и условий солнечного света или ультрафиолета. По истечении 5 часов и охлаждения раствора формамида-оксихлорида фосфора-аденина в колбу, содержащую формамид и теперь образованный аденин, наливают воду. Затем раствор вода-формамид-аденин пропускают через фильтрующую колонку с активированным углем. Молекулы воды и формамида, будучи небольшими молекулами, пройдут через уголь и попадут в колбу для отходов; Однако большие молекулы аденина будут прикрепляться или «адсорбироваться» на угле из-за сил Ван-дер-Ваальса, которые взаимодействуют между аденином и углеродом в угле. Поскольку уголь имеет большую площадь поверхности, он способен захватывать большинство молекул, которые проходят через него определенного размера (больше, чем вода и формамид). Чтобы извлечь аденин из адсорбированного углем аденина, газообразный аммиак, растворенный в воде (водная аммиак), выливают на структуру активированного угля-аденина, чтобы высвободить аденин в раствор аммиака и воды. Затем раствор, содержащий воду, аммиак и аденин, оставляют сохнуть на воздухе, при этом аденин теряет растворимость из-за потери газообразного аммиака, который ранее делал раствор основным и способным растворять аденин, тем самым заставляя его кристаллизоваться в чистый белый порошок, который можно хранить. [19]
Оро и Камат (1961) и сотрудники Оргеля (1966, 1967) показали, что четыре молекулы HCN тетрамеризуются с образованием диаминомалеодинитрила ( 12 ), который может быть преобразован почти во все встречающиеся в природе пурины. [20] [21] [22] [23] [24] Например, пять молекул HCN конденсируются в экзотермической реакции с образованием аденина , особенно в присутствии аммиака.
Синтез пурина Траубе (1900) — классическая реакция (названная в честь Вильгельма Траубе ) между аминозамещенным пиримидином и муравьиной кислотой . [25 ]
Чтобы понять, как возникла жизнь , необходимо знание химических путей, которые позволяют формировать ключевые строительные блоки жизни в вероятных пребиотических условиях . Нам и др. (2018) [26] продемонстрировали прямую конденсацию пуриновых и пиримидиновых нуклеиновых оснований с рибозой с образованием рибонуклеозидов в водных микрокаплях, что является ключевым шагом, ведущим к образованию РНК. Кроме того, вероятный пребиотический процесс синтеза пуриновых рибонуклеозидов был представлен Беккером и др . в 2016 году. [27]
