Введение
Гетероциклическое ароматическое органическое соединение
Пурин – это гетероциклическое ароматическое органическое соединение, состоящее из двух конденсированных колец (пиримидина и имидазола). Он растворим в воде. Пурин также является названием для более широкого класса молекул – пуринов, включающего замещенные пурины и их таутомеры. Они являются наиболее распространенными азотсодержащими гетероциклами в природе.
Пищевые источники
Пурины содержатся в высокой концентрации в мясе и мясных продуктах, особенно во внутренних органах, таких как печень и почки. Как правило, в растительной пище пуринов мало. Растения и водоросли с высоким содержанием пуринов включают некоторые бобовые (чечевицу, сою и горох-горошек) и спирулину. Примеры продуктов с высоким содержанием пуринов: телячьи мозги, анчоусы, сардины, печень, говяжьи почки, мясные экстракты (например, Oxo, Bovril), сельдь, скумбрия, морские гребешки, дичь, дрожжи (пиво, дрожжевой экстракт, пищевые дрожжи) и подливы. Умеренное количество пуринов 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.
Биохимия
Пурины и пиримидины составляют две группы азотистых оснований, включающие две группы нуклеотидных оснований. Пуриновые основания – 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, в сочетании 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 составе гуанозинмонофосфата (GMP) и аденозинмонофосфата (AMP). Для осуществления этих важных клеточных процессов клетке требуются как пурины, так и пиримидины, и в сопоставимых количествах. И пурины, и пиримидины обладают свойствами самоингибирования и активации. При образовании пуринов они ингибируют ферменты, необходимые для дальнейшего синтеза пуринов. Это самоингибирование происходит одновременно с активацией ферментов, необходимых для синтеза пиримидинов. Пиримидины, в свою очередь, одновременно самоингибируют и активируют синтез пуринов аналогичным образом. Благодаря этому в клетке постоянно поддерживается примерно равное количество обоих веществ.
Свойства
Пурин является одновременно очень слабой кислотой (pKa 8,93) и еще более слабым основанием (pKa 2,39). При растворении в чистой воде pH будет находиться посередине между этими двумя значениями pKa. Пурин является ароматическим соединением и существует в виде четырех таутомеров, каждый из которых имеет атом водорода, связанный с одним из четырех атомов азота. Они обозначаются как 1H, 3H, 7H и 9H (см. изображение пронумерованного кольца). В обычной кристаллической форме преобладает 7H-таутомер, а в полярных растворителях доминируют как 9H-, так и 7H-таутомеры. Заместители в кольцах и взаимодействия с другими молекулами могут изменять равновесие между этими таутомерами.
Примечательные пурины
В природе встречается много природных пуринов. К ним относятся нуклеотидные основания аденин (2) и гуанин (3). В ДНК эти основания образуют водородные связи со своими комплементарными пиримидинами – тимином и цитозином, соответственно. Это называется комплементарным спариванием оснований. В РНК комплементом аденина является урацил, а не тимин. Другие известные пурины включают гипоксантин, ксантин, теофиллин, теобромин, кофеин, мочевую кислоту и изогуанин.
Функции
Помимо важнейшей роли пуринов (аденина и гуанина) в ДНК и РНК, пурины также являются значимыми компонентами ряда других важных биомолекул, таких как АТФ, ГТП, циклический АМФ, НАДН и кофермент А. Сам пурин (1) в природе не встречается, но может быть получен путем органического синтеза. Они также могут непосредственно выступать в роли нейротрансмиттеров, воздействуя на пуринергические рецепторы. Аденозин активирует аденозиновые рецепторы.
История
Слово пурин (чистая моча) было предложено немецким химиком Эмилем Фишером в 1884 году. Он впервые синтезировал его в 1898 году. Мочевая кислота (8) вступала в реакцию с PCl5 с образованием 2,6,8-трихлоропурина (10), который затем, при взаимодействии с HI и PH4I, превращался в 2,6-диидопурин (11). Полученный продукт восстанавливали до пурина (1) с помощью цинковой пыли.
Метаболизм
Многие организмы обладают метаболическими путями для синтеза и расщепления пуринов. Пурины биологически синтезируются в виде нуклеозидов (оснований, присоединенных к рибозе). Накопление модифицированных пуриновых нуклеотидов нарушает работу различных клеточных процессов, особенно тех, которые связаны с ДНК и РНК. Для поддержания жизнеспособности организмы обладают рядом дезоксипуриновых фосфогидролаз, которые гидролизуют эти производные пурина, удаляя их из активных пулов NTP и dNTP. Дезаминирование пуриновых оснований может приводить к накоплению таких нуклеотидов, как ITP, dITP, XTP и dXTP. Дефекты ферментов, контролирующих синтез и распад пуринов, могут серьезно изменять последовательности ДНК клеток, что может объяснить, почему люди с определенными генетическими вариантами ферментов пуринового обмена имеют повышенный риск развития некоторых видов рака.
Биосинтез пуринов в трех сферах жизни
Организмы во всех трех доменах жизни – эукариоты, бактерии и археи – способны осуществлять de novo биосинтез пуринов. Эта способность отражает жизненно важную роль пуринов. Биохимический путь синтеза очень похож у эукариотов и бактерий, но более вариабелен у архей. Было установлено, что почти полный или полный набор генов, необходимых для биосинтеза пуринов, присутствует в 58 из 65 изученных видов архей, которые при этом также нуждаются в экзогенных пуринах для роста.
Связь с подагрой
Более высокое потребление мяса и морепродуктов связано с повышенным риском развития подагры, в то время как более высокое потребление молочных продуктов связано со снижением этого риска. Умеренное употребление овощей, богатых пуринами, или белка не связано с повышенным риском подагры. Аналогичные результаты наблюдались и в отношении риска гиперурикемии.
Лабораторный синтез
Помимо синтеза пуринов in vivo в метаболизме пуринов, пурин также может быть синтезирован искусственно. Пурин (1) получают с хорошим выходом при нагревании формамида в открытом сосуде при 170 °C в течение 28 часов. Эта замечательная реакция и другие подобные ей обсуждались в контексте происхождения жизни. Запатентованный 20 августа 1968 года, современный общепринятый метод промышленного производства аденина является модифицированной формой метода формамида. Этот метод предполагает нагревание формамида в закрытой колбе при температуре 120 °C в течение 5 часов с образованием аденина. Количество продукта значительно увеличивается при использовании оксихлорида фосфора (фосфорилхлорида) или пентахлорида фосфора в качестве кислотного катализатора, а также под воздействием солнечного света или ультрафиолетового излучения. После истечения 5 часов и охлаждения раствора формамида, оксихлорида фосфора и аденина, в колбу добавляют воду. Затем водный раствор формамида и аденина пропускают через фильтрующую колонку с активированным углем. Молекулы воды и формамида, будучи небольшими, проходят сквозь уголь в отходную колбу, в то время как более крупные молекулы аденина прикрепляются или «адсорбируются» на угле благодаря силам Ван-дер-Ваальса, возникающим между аденином и углеродом в угле. Благодаря большой площади поверхности, уголь способен улавливать большинство молекул, размер которых превышает размер молекул воды и формамида. Для извлечения аденина из адсорбированного на угле аденина, на структуру аденина, адсорбированного на активированном угле, подают водный раствор аммиака (аквааммиак), высвобождая аденин в раствор аммиака в воде. Раствор, содержащий воду, аммиак и аденин, затем оставляют на воздухе для высыхания, при этом аденин теряет растворимость из-за потери аммиака, который ранее делал раствор щелочным и способным растворять аденин, что приводит к его кристаллизации в чистый белый порошок, пригодный для хранения. 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 природные пурины. Например, пять молекул HCN конденсируются в экзотермической реакции с образованием аденина, особенно в присутствии аммиака. Синтез пуринов Траубе (1900) – классическая реакция (названная в честь Вильгельма Траубе) между аминозамещенным пиримидином и муравьиной кислотой.
Пребиотический синтез пурин-рибонуклеозидов
Чтобы понять, как возникла жизнь, необходимо знание химических путей, обеспечивающих образование ключевых строительных блоков жизни в правдоподобных пребиотических условиях. Нам и др. (2018) показали прямую конденсацию пуриновых и пиримидиновых нуклеобаз с рибозой с образованием рибонуклеозидов в водных микрокаплях – ключевой этап на пути к формированию РНК. Кроме того, Беккер и др. (2016) представили правдоподобный пребиотический процесс синтеза пурин-рибонуклеозидов.