Введение

Химическое соединение РНК

Урацил (символ U или Ura) — одно из четырех нуклеотидных оснований в нуклеиновой кислоте РНК. Другие – аденин (A), цитозин (C) и гуанин (G). В РНК урацил связывается с аденином посредством двух водородных связей. В ДНК нуклеотидное основание урацила замещается тимином (T). Урацил является деметилированной формой тимина. Урацил – распространенное и естественное производное пиримидина. Название «урацил» было предложено в 1885 году немецким химиком Робертом Бехрендом, который пытался синтезировать производные мочевой кислоты. Первоначально обнаруженный в 1900 году Альберто Асколи, он был выделен путем гидролиза нуклеина дрожжей; он также был найден в тимусе и селезенке крупного рогатого скота, сперме сельди и зародыше пшеницы. В ДНК эволюционная замена урацила на тимин, вероятно, повысила стабильность ДНК и улучшила эффективность репликации ДНК (обсуждается ниже). Урацил образует пары с аденином посредством водородных связей. При спаривании оснований с аденином урацил выступает как акцептор, так и донор водородной связи. В РНК урацил связывается с рибозным сахаром, образуя рибонуклеозид уридин. При присоединении фосфата к уридину образуется уридин-5'-монофосфат. Урацил подвергается таутомерным переходам амидоимидной кислоты, поскольку любая ядерная нестабильность молекулы, возникающая из-за отсутствия формальной ароматичности, компенсируется циклической амидной стабильностью. Отрицательный заряд локализуется на кислородном анионе, что приводит к pKa меньше или равно 12. Основной pKa = -3,4, а кислый pKa = 9,389. В газовой фазе урацил имеет четыре участка, которые более кислые, чем вода.

Биологические

Организмы синтезируют урацил в форме монофосфата уридина (UMP) путем декарбоксилирования 5'-монофосфата оротидина (оротидиловой кислоты). У человека эта декарбоксиляция осуществляется ферментом UMP-синтазой. В отличие от пуриновых нуклеотидов, пиримидиновое кольцо (оротидиловая кислота), предшествующее урацилу, синтезируется первым, а затем присоединяется к рибозофосфату, формируя UMP.

Лаборатория

Существует множество лабораторных методов синтеза урацила. Первый метод – самый простой, заключающийся в добавлении воды к цитозину с образованием урацила и аммиака.

Пребиотики

В 2009 году ученые НАСА сообщили о получении урацила из пиримидина и водяного льда путем воздействия на них ультрафиолетового света в условиях, близких к космическим. Это указывает на возможный естественный источник происхождения урацила. В 2014 году ученые НАСА сообщили, что в лабораторных условиях, имитирующих космическое пространство, были синтезированы дополнительные сложные органические соединения, входящие в состав ДНК и РНК, включая урацил, цитозин и тимин. Синтез начался с использованием льда, пиримидина, аммиака и метанола – соединений, обнаруженных в астрофизической среде. Пиримидин, подобно полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ) – углеродосодержащему химическому веществу, распространенному во Вселенной, мог образоваться в красных гигантах или в межзвездных облаках пыли и газа. Анализ изотопных соотношений 12C/13C органических соединений, найденных в метеорите Мёрчисон, позволяет предположить, что урацил, ксантин и родственные молекулы также могут формироваться в космосе. Данные, полученные в ходе миссии "Кассини", вращающейся вокруг системы Сатурна, свидетельствуют о наличии урацила на поверхности спутника Титан. В 2023 году урацил был обнаружен в образце, взятом с астероида 162173 Рюгу, находящегося вблизи Земли, и не подвергавшегося воздействию земной биосферы, что предоставляет дополнительные доказательства его синтеза в космическом пространстве.

Реакции

Урацил легко вступает в обычные реакции, включая окисление, нитрование и алкилирование. В присутствии фенола (PhOH) и гипохлорита натрия (NaOCl) урацил становится видимым в ультрафиолетовом свете. Благодаря наличию нескольких сильных электронодонорных групп, урацил также способен реагировать с элементарными галогенами.

Применение

Урацил в организме используется для осуществления синтеза многих ферментов, необходимых для функционирования клеток, посредством связывания с рибозами и фосфатами. Урацил важен для детоксикации многих канцерогенов, например, содержащихся в табачном дыме. Урацил также необходим для детоксикации многих лекарственных препаратов, таких как каннабиноиды (ТГК) и морфин (опиоиды). В редких случаях, при выраженном дефиците фолиевой кислоты, он может незначительно повышать риск развития рака. Урацил может использоваться для доставки лекарств и в качестве фармацевтического средства. При взаимодействии элементарного фтора с урацилом образуется 5-фторурацил. 5-Фторурацил – это противораковый препарат (антиметаболит), который используется для имитации урацила в процессе репликации нуклеиновых кислот. Урацил также показал потенциал в качестве ингибитора капсида вируса ВИЧ. Производные урацила обладают противовирусной, противотуберкулезной и антилейшманиальной активностью. Урацил может быть использован для определения микробного загрязнения томатов. Обнаружение урацила указывает на загрязнение плодов молочнокислыми бактериями. Производные урацила, содержащие диазиновое кольцо, применяются в пестицидах. Производные урацила способны усиливать активность антимикробных полисахаридов, таких как хитозан. У дрожжей концентрация урацила обратно пропорциональна концентрации урациловой пермеазы. Смеси, содержащие урацил, также часто используются для тестирования HPLC-колонок с обращенной фазой. Поскольку урацил практически не задерживается неполярной стационарной фазой, это позволяет определить время удержания (и, соответственно, объем удержания при известной скорости потока) системы.