Эта увлекательная химия

Чем интересна молекула бензола? Все шесть π — электронов трех двойных связей образуют общее усредненное облако, придающее бензолу свойства ароматической системы. Что это значит? Это значит, что молекула бензола плоская (все шесть атомов углерода и шесть атомов водорода, с ними соединенные, лежат в одной плоскости), и атомы водорода легко замещаются на различные группировки (говорят, что бензол легко вступает в реакции электрофильного замещения). В то же время присоединение каких-либо атомов или молекул по двойным связям в случае ароматического бензола очень затруднено.

Заменим один из атомов углерода в молекуле бензола на атом какого-то другого элемента, например, на азот. Такую операцию можно провести, только заменить придется не один атом углерода, а всю группу С-Н (на место четырехвалентного углерода встает трехвалентный азот). Мы получили новое соединение, называемое пиридином:

Не углеродные атомы, включенные в цикл, называются гетероатомами, а соединения, содержащие в кольце гетероатом,- гетероциклическими, или просто гетероциклами.

А нельзя ли заменить на азот две группы СН в молекуле бензола? Можно, причем мы получим три?

разных соединения:

Все эти вещества известны, синтезированы и их химия хорошо изучена. Для нас, поскольку предстоит разговор о нуклеиновых кислотах, интересен пиримидин.

Известны гетероциклы, содержащие не шесть членов в цикле, а пять, и тоже являющиеся ароматическими. На первый взгляд это кажется странным — ведь ароматические системы должны содержать шесть, а не пять π-электронов. Но и в пятичленных гетероциклах на пять атомов тоже приходится шесть я-электронов. По два π-электрона дают две двойные связи, а гетероатом (например, атом азота в пирроле) также предоставляет в общее пользование два электрона:

Это та же пара электронов, что и в молекуле аммиака и любого амина, которая позволяет амину присоединять протон с образованием аммонийной соли.

В качестве гетероатома в пятичленных ароматических системах может выступать не только азот, но и кислород (гетероцикл фуран), и сера (тиофен). В пределах одного пятичленного цикла могут быть заключены два гетероатома (одинаковые или разные); из таких соединений назовем имидазол:

Два бензольных кольца могут соединяться в двух местах и образовывать конденсированную систему нафталин. Может бензол сконденсироваться и с гетероциклом, например, с пирролом. В этом случае получается гетероцикл индол, который входит в состав аминокислоты триптофана.

Наконец, возможно и такое сочетание: два конденсированных гетероцикла. Самый интересный для нас случай, когда эти гетероциклы — пиримидин и имидазол; продукт такой "конденсации" — пурин — содержит четыре атома азота:

Гетероциклы входят в состав важнейших в биологическом отношении соединений. Здесь и аденозин-трифосфат (АТФ), и никотинамиддинуклеотид (НАД) и аминокислоты, и витамины, и лекарства, и антибиотики, и красители... И наконец, гетероциклы — необходимая составная часть нуклеиновых кислот, к разговору о которых мы и переходим.

Немного истории, а точнее — предыстории

Осень 1868 г. В Германии, в Тюбингене, в лаборатории биохимика Гоппе-Зейлера начинает работать молодой, скромный сотрудник по имени Фридрих Ми- шер. Из гнойных клеток Мишер выделял клеточные ядра, из которых, в свою очередь, получал щелочные экстракты. Действуя на такой экстракт кислотой, ученый выделил какое-то новое вещество с сильнокислотными свойствами, которое он назвал нуклеином. Мишер определил, что нуклеин помимо углерода, водорода и кислорода содержит изрядное количество азота и фосфора.

Статью, в которой излагались результаты этой работы, молодой ученый принес Гоппе-Зейлеру. Тот настолько заинтересовался исследованием коллеги, что, считая эту работу очень важной, решил сам проверить выводы Мишера. Лишь через два года работа молодого физиолога, подтвержденная опытами маститого биохимика, увидела свет,

Так были открыты нуклеиновые кислоты. Дальнейшая история этих интереснейших веществ была длинной и трудной. Отметим лишь основные вехи этой истории.

1879 г. Коссель в лаборатории Гоппе-Зейлера начинает исследование, в результате которого стали известны основные составные части нуклеиновых кислот: фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания и какие-то сахара.

Конец прошлого века. У исследователей возникает еще смутная, неясная догадка о том, что именно нуклеиновые кислоты (или нуклеин, по терминологии того времени) и есть вещество наследственности. "Нуклеину приписывается выдающееся значение в развитии и размножении клеток", — читаем в "Энциклопедическом словаре" Брокгауза и Эфрона, изданном в 1897 г. Однако работать с "нуклеином" было очень трудно, состав его оказался весьма сложным. Интерес к нуклеиновым кислотам поостыл, забыли об их предполагаемой роли в развитии и размножении.