Kimyo · Organik kimyo · 3-kurs

Geterohalqalar va DNK

Piridin nega asos, pirrol esa deyarli yo‘q — va DNK qo‘sh spirali nima bilan tutiladi?

Vaziyat

Toshkentdagi O‘simlik moddalari kimyosi institutida o‘simliklardan alkaloidlar ajratiladi: ularning deyarli hammasi azotli geterohalqalar. Qo‘shni genomika laboratoriyasida esa paxta chigitidan DNK ajratilib, spektrofotometrda qizdiriladi — 260 nm dagi yutilish birdan ortib ketadi. Nega piridin halqasi asos, pirrol esa deyarli asos emas? DNK ning ikki zanjiri nima bilan tutib turiladi va qizdirilganda nega «eriydi»?

Mavzu

Geterohalqalar va nuklein kislotalar. O‘zR FA O‘simlik moddalari kimyosi instituti (akademik S. Yu. Yunusov alkaloidlar maktabi) va Genomika markazi: paxta chigitidan DNK ajratish, alkaloid kristallari,…

Asosiy tushunchalar

Aromatiklik (4n + 2)
Uotson–Krik juftlari
DNK erishi va Tₘ

Formulalar

N_{π} = 4 n + 2

Xyukkel qoidasi: tekis, uzluksiz tutashgan halqada $4 n + 2$ ta π-elektron (n = 0, 1, 2 …) bo‘lsa — aromatik.

L_{r}^{+} = E_{π} (halqa) - E_{π} (σ -kompleks)

Elektrofil hujumining lokalizatsiya energiyasi ( $| β |$ birligida): eng kichik L — eng qulay o‘rin.

\frac{A + G}{T + C} = 1, A = T, G = C

Chargaff qoidasi (qo‘sh zanjirli DNK): purinlar soni pirimidinlar soniga teng.

T_{m} = 69,3 + 0,41 \cdot (% G C)^{\circ} C

Marmur–Doti: 1×SSC eritmasidagi uzun DNK ning erish harorati GC juftlar ulushiga bog‘liq.

A = ε c l; A_{260} = 1 \Leftrightarrow 50 mkg/ml DNK

Buger–Lambert–Ber: qo‘sh zanjirli DNK uchun $A_{260} = 1$ ga ≈ 50 mkg/ml, RNK uchun ≈ 40 mkg/ml mos keladi.

Nazariya

Geterohalqalar: aromatiklik va nomlash

Geterohalqa — halqasida uglerod bilan birga N, O, S kabi geteroatom bor birikma. Besh a’zoli pirrol, furan, tiofen va olti a’zoli piridin — benzol kabi tekis, uzluksiz tutashgan halqa; ularda 6 π-elektron ( $4 n + 2$ , $n = 1$ ), demak aromatik. Farqi — geteroatomning hissasi: piridindagi =N– bitta elektron beradi va erkin jufti halqa tekisligida qoladi; pirroldagi –NH–, furandagi –O–, tiofendagi –S– esa juftini π-sekstetga beradi. Shuning uchun besh a’zolilar π-ortiqcha (uglerodlarda π-zichlik > 1), piridin — π-tanqis (2- va 4-o‘rinda < 1). Aromatiklikni rezonans energiyasi o‘lchaydi (Joul–Mills): benzol ≈ 150, tiofen ≈ 122, piridin ≈ 117, pirrol ≈ 90, furan ≈ 67 kJ/mol. Ganch–Videman nomenklaturasi: geteroatom prefiksi (oksa-, tia-, aza-; bir nechtasi bo‘lsa O > S > N tartibida, raqamlar bilan) + halqa o‘lchami va to‘yinganligini ko‘rsatuvchi o‘zak (to‘yingan / to‘yinmagan): 3 a’zoli -iran / -iren, 4 — -etan / -et, 5 — -olan / -ol, 6 — -an / -in; azotli halqalarda to‘yingani -idin (aziridin, azetidin, azolidin), 6 a’zolida -inan (azinan), to‘yinmagan 3 a’zolisi -irin. Ko‘p halqalar trivial nomini saqlagan: pirrol, furan, tiofen, piridin, imidazol, pirimidin, purin.

Asoslik, reaksiyalar va sintez strategiyalari

Asoslik erkin juftning qayerdaligiga bog‘liq: piridin H⁺ ni tekislikdagi juftiga biriktiradi, aromatiklik saqlanadi — p $K_{a H}$ = 5,2; imidazol — 7,0; pirimidin — 1,3. Pirrolda juft π-sekstetda: proton faqat C2 ga birikadi va aromatiklik yo‘qoladi — p $K_{a H}$ ≈ −3,8, ya’ni pirrol deyarli asos emas (aksincha, N–H kuchsiz kislota). Elektrofil almashinish (SEAr) σ-kompleks (Uelend oraliq birikmasi) orqali boradi; qaysi o‘rin qulay ekanini oraliq birikma barqarorligi — lokalizatsiya energiyasi $L^{+}$ hal qiladi, asosiy holatdagi zichlik emas (pirrolda zichlik C3 da biroz katta, lekin hujum C2 ga boradi). Pirrol, furan, tiofen benzoldan tez, asosan 2-o‘rinda reaksiyaga kirishadi; piridinda SEAr juda qiyin (kislotada N protonlanadi), nukleofillar esa oson hujum qiladi (Chichibabin: NaNH₂ → 2-aminopiridin). Sintez strategiyalari halqa qaysi bo‘laklardan yig‘ilishini bildiradi: «4 + 1» (Paal–Knorr: 1,4-diketon + NH₃ → pirrol, + P₄S₁₀ → tiofen; kislota bilan esa diketonning o‘z kislorodi halqani yopib furan beradi), «3 + 2» (1,3-diketon + gidrazin → pirazol; Knorr sintezi), «5 + 1» (1,5-dikarbonil + NH₃ → piridin), «3 + 3» (malon efiri + mochevina → barbitur kislota — pirimidin halqasi).

Tabiiy geterohalqalar: alkaloidlar, asoslar, nukleotidlar, kofermentlar

Alkaloidlar — o‘simliklardagi azotli asoslar: nikotin (piridin + pirrolidin), anabazin (Anabasis aphylla — Markaziy Osiyo o‘simligi), garmin (isiriq — Peganum harmala), kofein (purin). Akademik S. Yu. Yunusov (1909–1995) 1956-yilda Toshkentda O‘simlik moddalari kimyosi institutini tashkil etgan; uning maktabi O‘rta Osiyo o‘simliklaridan ko‘plab yangi alkaloidlar ajratib, tuzilishini aniqlagan. Nuklein kislota asoslari: purinlar — adenin (A), guanin (G); pirimidinlar — sitozin (C), timin (T, faqat DNK da), urasil (U, RNK da). Asoslar tautomer shakllarda bo‘lishi mumkin: laktam ⇌ laktim (keto ⇌ enol), amino ⇌ imino; DNK da keto- va amino-shakllar keskin ustun, nodir tautomer noto‘g‘ri juft hosil qilib, nuqtali mutatsiyaga olib kelishi mumkin. Nukleozid = asos + pentoza (riboza yoki 2-dezoksiriboza) β-N-glikozid bog‘ bilan (purinda N9, pirimidinda N1 orqali); nukleotid = nukleozidning fosfat efiri (5′-AMF, ATF); siklik nukleotid sAMF da fosfat 3′- va 5′-O ni halqaga bog‘laydi — gormon signalining ikkilamchi vositachisi. Kofermentlar: NAD⁺ va NADF⁺ (nikotinamid halqasi C4 ga H⁻ qabul qilib NAD(P)H ga aylanadi), FAD (izoalloksazin N1 va N5 ga 2H biriktiradi). Nukleotidlar 3′,5′-fosfodiefir bog‘lari bilan oligo- (bir necha o‘ntagacha) va polinukleotidlarga ulanadi.

DNK va RNK tuzilishi

Birlamchi tuzilish — asoslar ketma-ketligi, 5′→3′ yo‘nalishda yoziladi. Ikkilamchi — Uotson–Krik qo‘sh spirali (1953): ikki antiparallel zanjir, ichkarida juftlar A·T (2 ta vodorod bog‘i) va G·C (3 ta), tashqarida qand–fosfat «panjarasi». Chargaff qoidasi: A = T, G = C, (A + G) = (T + C). B-shakl (suvli eritmada asosiy): o‘ng spiral, bir o‘ramda ≈ 10,5 juft, qadam 0,34 nm, o‘ram balandligi ≈ 3,4–3,6 nm, diametri ≈ 2 nm, katta va kichik ariqchalar. A-shakl (suvsizlantirilganda, RNK qo‘sh spirallari va DNK–RNK gibridlari): bir o‘ramda 11 juft, juftlar o‘qdan siljigan va qiyalangan, diametri ≈ 2,3 nm. C-shakl — B ga yaqin, kam namlikda: o‘ramda ≈ 9,3 juft. Z-shakl — chap spiral, o‘ramda 12 juft, navbatlashgan GC ketma-ketliklarda (Rich, 1979). Uchlamchi tuzilish: halqasimon va yopiq DNK superspirallanadi; eukariotlarda DNK gistonlar oktameri atrofiga 1,65 o‘ram (147 juft) o‘ralib nukleosoma hosil qiladi, nukleosomalar xromatin tolasiga, so‘ng xromosomaga yig‘iladi. RNK turlari: mRNK (oqsil ketma-ketligi nusxasi), tRNK (≈ 76 nukleotid, «beda bargi» ikkilamchi va L-shakl uchlamchi tuzilish), rRNK (ribosoma asosi). Nasliy kasalliklar — DNK dagi o‘zgarishlar: masalan, o‘roqsimon hujayrali anemiyada β-globin genining 6-kodonida GAG → GTG almashib, oqsilda glutamat o‘rniga valin turadi.

Laboratoriya: ajratish, gidroliz va erish egri chizig‘i

DNK ni chigitdan ajratish (L12): maydalash → lizis buferi (detergent, NaCl, EDTA, 60 °C) → xloroform bilan oqsilsizlantirish va sentrifuga → suvli faza ustiga sovuq etanol: DNK oq ip bo‘lib chiqadi va tayoqchaga o‘raladi. RNK ni undirilgan moshdan (L11) — kislotali fenol bilan ekstraksiya, etanol bilan cho‘ktirish; RNKazalar aktiv, hammasi muz ustida. Gidroliz (L13): ishqorda RNK 2′-OH ishtirokida tez parchalanadi, DNK chidamli; kislotada purinlar ajralib chiqadi. Sifat reaksiyalari: difenilamin (Dishe) — dezoksiriboza, ko‘k; orsin (Bial) — riboza, yashil; ammoniy molibdat — fosfat, sariq cho‘kma; AgNO₃ + NH₃ — purinlar cho‘kmasi. Tozalik: A₂₆₀/A₂₈₀ ≈ 1,8 (DNK), ≈ 2,0 (RNK); oqsil aralashmasi nisbatni kamaytiradi. Erish: qizdirilganda vodorod bog‘lari va stekking buziladi, zanjirlar ajraladi, 260 nm dagi yutilish ≈ 40 % ortadi (giperxrom effekt). Egri chiziq o‘rtasi — $T_{m}$ . G·C juft uchta vodorod bog‘i va kuchliroq stekking tufayli barqarorroq: $T_{m} = 69,3 + 0,41 \cdot % G C$ (1×SSC). Tuz kamaysa $T_{m}$ pasayadi (fosfatlar itarishi kuchayadi): Na⁺ 10 marta kamayganda ≈ 16,6 °C ga; shuning uchun GC ko‘p DNK (M. luteus, 73 %: 1×SSC da ≈ 99 °C) 0,1×SSC da o‘lchanadi. Spektrofotometriya usuli haqida — «Optik analiz usullari» tajribasida. Xavfsizlik: fenol va xloroform zaharli — qo‘lqop, ko‘zoynak, tortish shkafi; etanol olovdan uzoqda; ishqor va kislotalar ko‘zga tushsa — ko‘p suv bilan yuving.

Model haqida

Halqalarning π-zichligi va lokalizatsiya energiyalari — oddiy Xyukkel modeli (Streytvizer parametrlari; tiofen S uchun parametrlar — model qiymat); u tendensiyalarni to‘g‘ri beradi, lekin aniq energiyani emas. Molekulalar 3D modellari tipik bog‘ uzunliklari va burchaklaridan yig‘ilgan (kvant-kimyoviy optimallash emas). DNK: asoslar — 3DNA standart koordinatalari; qand–fosfat zanjiri ideal bog‘lar va A/B shakllarining spiral parametrlari bo‘yicha moslangan (Z-shakl — soddalashtirilgan bir xil chap spiral, haqiqiy zigzag dinukleotid takrori ko‘rsatilmagan). Xromatin — sxematik. Erish egri chizig‘i — ikki holatli model (eni ≈ 5 °C), $T_{m}$ Marmur–Doti formulasidan; «paxta chigiti» namunasining GC ulushi — o‘quv namunasi (har safar boshqacha), haqiqiy genom qiymati emas.

Bilasizmi?

Uotson va Krik qo‘sh spiral modelini 1953-yil 25-aprelda Nature jurnalida e’lon qilgan; Rozalind Franklin va Raymond Gosling olgan rentgenogramma («51-surat») spiral tuzilishning muhim dalili bo‘lgan.
Odamning bitta hujayrasidagi DNK ni (≈ 6,4 milliard juft) cho‘zib bir qatorga tizsak, uzunligi taxminan 2 m bo‘ladi — u diametri bir necha mikrometr bo‘lgan yadroga nukleosomalar va xromatin tolalari yordamida joylashadi.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Stereokimyo va konformatsiyalar — 2-kurs
Radikal va elektrofil mexanizm — 3-kurs
SN1, SN2 va eliminatsiya — 3-kurs
Aromatik halqa va azobo‘yoqlar — 3-kurs
Karbonil birikmalar va sintez — 3-kurs
Aminokislotalar va oqsillar — 3-kurs
Makromolekulalar fizikasi — 3-kurs
Polimerlar sintezi va kinetikasi — 3-kurs
Polimer materiallar kimyosi — 3-kurs