CC BY
697
тель 3. Из озонатора 2 озон поступает в смеситель 3, где оксид азота (III) окисляется до азотной кислоты. Полученная после окисления свободная от окислов азотная кислота направляется в хранилище 5, из которого насосом подается в аппарат нейтрализации 7. Нейтрализация осуществляется газообразным аммиаком, подаваемым в аппарат нейтрализации ИТН (использование теплоты нейтрализации) из баллонов 8. По завершении процесса нейтрализации образуется 25,8 %-ный раствор аммиачной селитры. Этот раствор насосом 9 подается в выпарной аппарат 10 с естественной циркуляцией и выносной греющей камерой, где упаривается до концентрации 56 %. Из выпарного аппарата 10 упаренный раствор поступает в смеситель 11, снабженный мешалкой, где смешивается с мочевиной, которая подается в смеситель из бункера 12. Целевой продукт КАС-28 из аппарата 11 поступает в вакуум-воронку, где удаляются механические примеси, и подается в хранилище 14 и далее на узел фасовки и упаковки в тару. Реализация разработанного технологического процесса позволяет получать из 1000 т кислого стока мастерской кислотной окислительной очистки ДНА 742 т КАС-28 при оптовой цене 9000 руб. за 1 т продукции.
Таким образом, при совмещении производства ДНА и КАС-28 возможна реализация практически безотходной технологии и соответственно значительное улучшение экологических параметров технологии получения ДНА.
Н. А. Соловьёв, И. Г. Широкова Олигонуклеотиды: их свойства и практическое применение
Олигонуклеотиды - природные или синтетические олигомерные соединения, состоящие из немногих остатков нуклеотидов (мононуклеотидов), соединённых фосфодиэфирной связью1. Олигонуклеотиды можно рассматривать как продукты неполного химического, ферментативного гидролиза нуклеиновых кислот (полинуклеоти-дов)1 2 или как продукт химического биосинтеза мононуклеотидов3. Термин «олиго» заимствован из химии углеводов, где олигомерами (от греческого «олигос» - мало, «мерос» - часть) называют соединения, которые по размеру молекул занимают промежуточное положение между мономерами и полимерами. Впервые термин
1 Молекулярная биология / А.А. Баев [и др.]. СПб.: Наука, 1967. Т. 1. С. 503.
2 Биохимический справочник / Н.Е. Кучеренко [и др.]. - М.: Высш. шк., 1979. С. 321.
3 Ингрем В. Биосинтез макромолекул. М.: Мир, 1966. С. 198.
394
«олигонуклеотиды» применил Микельсон в 1963 г., когда число мономерных единиц в молекуле составляло от 2 до 7. Спустя некоторое время под терминологию олигонуклеотидов начали входить соединения, имеющие большее количество мононуклеотидных звеньев. По классификации З.А. Шабаровой и А.А. Богданова1 олигонуклеотиды - природные и синтетические нуклеотидные полимеры, включающие до десяти мономерных единиц. В настоящее время принято считать, что олигомерная форма нуклеиновой кислоты может содержать до 20-100 нуклеотидов.
Структурными компонентами олигонуклеотидов являются: азотистое основание (АО) пуринового или пиримидинового ряда, пенто-за (p-D-рибофураноза или p-D-2-дезоксирибофураноза) и фосфорная кислота.
Существуют рибоолигонуклеотиды и дезоксиолигонуклеотиды (в зависимости от углеводного компонента), а также пиримидиновые и пуриновые олигонуклеотиды (в зависимости от АО).
Кроме того, различают гомоолигонуклеотиды, построенные из остатков одного и того же мононуклеотида, и гетероолигонуклеотиды, построенные из остатков разных мононуклеотидов.
В олигонуклеотидах сохраняются многие химические свойства, характерные для мононуклеотидов: свойства оснований, углеводного и фосфорного остатков. Так как олигонуклеотиды состоят из мононуклеотидов, то характерным свойством для данных низкомолекулярных полимеров будет гидролиз, приводящий к распаду цепи.
Устойчивость полимерной молекулы олигонуклеотида определяется реакционной способностью межнуклеотидного узла в водных растворах. Реакции, приводящие к расщеплению олигонуклеотидной цепи, могут протекать по двум различным механизмам.
Реакции первого типа, включающие разрыв связи Р - О, как нуклеофильное замещение у межнуклеотидного атома фосфора, который в этом случае проявляет электрофильные свойства:
1 Шабарова З.А., Богданов А.А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов. М.: Химия, 1978. С. 379.
О
о
Rtt-P-OR
— И- Р-Х +'QR
1
О
395
Нуклеофильная атака атома фосфора может осуществляться как межмолекулярно, так и внутримолекулярно.
Реакции второго типа, включающие разрыв связи С - О, осуществляются в том случае, когда в динуклеозидфосфатном фрагменте полинуклеотида в в-положении к фосфодиэфирной группе появляется карбонильная группировка. Эти реакции протекают как (3-элиминирование, катализируемое основаниями:
Как и при расщеплении связи Р - О, движущей силой в-элиминирования является электрофильность атома фосфора, поскольку способность к расщеплению связи С - О в этом случае определяется устойчивостью уходящего аниона. Этот тип расщепления межнуклеотидных связей является непрямым и приводит к появлению в в-положении к межнуклеотидной фосфодиэфирной группировке карбонильной группы. По такому механизму протекает кислотный гидролиз олигорибонуклеотидов1:
1 Звонкова Е.Н. Химия биологически активных природных соединений. М.: Химия, 1970. С. 298.
396
По остаткам гетероциклических оснований возможны реакции электрофильного замещения, а также присоединение по двойной связи С5, С6.
В качестве примеров электрофильного замещения протонов в гетероциклическом ядре можно привести оксиметилирование цити-дин-5'-фосфата:
Оксиметилирование ядер урацила и цитозина в их рибо- и де-зоксирибонуклеотидах позволяет получать труднодоступные 5-оксиметилпроизводные1.
Широкое применение для модификации оснований в нуклеотидах и олигонуклеотидах нашло присоединение по связи С5,С6 пиримидиновых производных бисульфит-иона (HSO3"). Реакцию
проводят в нейтральных водных растворах. Реакция с бисульфитом протекает намного быстрее, чем с другими нуклеофильными реагентами и в случае производных урацила заканчивается насыщением двойной связи С ,С
По остаткам гетероциклических оснований и пентозы возможны реакции алкилирования (например, метилирование) и ацилирование. 1 2
1 Барам Г.И. Алкилирующие производные компонентов нуклеиновых кислот. Синтез 4-^-2-хлорэтил-^метиламино) бензилиденовых производных адениловых олигонуклеотидов // Известия Сиб. отделения акад. наук СССР. Серия химические науки. Сиб. отделение: Наука, 1972. № 4. С. 116.
2 Шабарова З.А., Богданов А.А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов. М.: Химия, 1978. С. 404.
397
л
Реакции метилирования1 на уровне нуклеотидов и олигонуклеотидов протекают как по гетероциклу, так и по фосфатному остатку. Так, при метилировании диазометаном уридин-5'-фосфата образуется смесь N3-метилурадин-5'-фосфата и уридин-5'-метилфосфата в соотношении 3:1:
При обработке нуклеотидов ангидридами (например, уксусным ангидридом (Ас2О)) или хлорангидридами карбоновых кислот происходит замещение на ацильные группы всех подвижных атомов водорода в остатке пентозы и ацилирование аминогрупп гетероциклических оснований. Если последние не содержат аминогрупп, то можно получать только производные по углеводному фрагменту. При этом в качестве промежуточного соединения, по-видимому, образуется смешанный ангидрид с участием фосфатной группы, который, однако, легко гидролизуется при обработке реакционной смеси водой. В случае 5'-фосфатов эта реакция протекает без осложнений. Например:
1 Дэвидсон Дж. Биохимия нуклеиновых кислот. М.: Мир, 1968. С. 60.
398
При ацилировании нуклеотидов, содержащих аминогруппы в ядре гетероциклического основания, также образуются соответствующие амиды. Дезоксицитидин-5'-фосфат, например, превращается при обработке n-анизоилхлоридом в 3',6-дианизоилдезокси-цитидин-5'-фосфат:
При обработке подобных амидов концентрированными водными растворами аммиака (NH3) протекает аммонолиз. Атака аммиаком возможна как по карбонильному углероду, так и по углероду гетероцикла. В результате в обоих случаях проиcходит удаление ацильной группы.
Щелочной гидролиз сложноэфирной связи в ацилированных нуклеотидах протекает по обычному механизму, и его скорость пропорциональна концентрации гидроксилъных ионов.
При обработке ацилированных по углеводному остатку нуклеотидов водным растворами аммиака протекает, видимо, как гидролиз, так и аммонолиз сложноэфирной связи.
Различие в свойствах амидной и сложноэфирной связей используется для избирательного удаления ацильной группы, связанной с пентозой, например, для получения дезоксинуклеотидов, у которых блокирована только аминогруппа гетероциклического основания. Для этого ацилированный как по остатку пентозы, так и по гетероциклу дезоксинуклеотид обрабатывают щелочью (обычно 1 н раствором NaОН) и с хорошим выходом получают N-ацилирован-ный нуклеотид. Так, из ^,3'-диизобутирил-дезоксигуанозин-5'-фосфата был получен М2-изобутирилдезоксигуанозин-5'-фосфат:
399
Устойчивость амидных связей в N-ацилнуклеотидах в описанных выше условиях зависит от структуры гетероциклического основания и природы ацильного остатка. Для производных уксусной кислоты устойчивость амидной связи падает в ряду: гуанозин, аденозин, цитидин.
С участием фосфатной группы идёт алкилирование. При алкилировании нуклеозид-5'-фосфатов в нейтральном водном растворе диазометаном (при 20 °С) образуются соответствующие метиловые эфиры нуклеотидов, например (для производных аденина и цитозина):
Нуклеотиды образуют с ионами металлов и неметаллов комплексные соли, в том числе и хелатного типа. Сведения о взаимодействии различных ионов с нуклеотидами приведены ниже (отнесение проведено по месту связывания с нуклеотидом).
Центр связывания Ионы
Фосфатная группа Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+
Фосфатная группа и остаток рибозы B3+
Фосфатная группа и остаток гетероциклического основания Co2+, Ni2+, Mn2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+
Остатки рибозы и гетероциклического основания Co3+
Остаток гетероциклического основания Ag+, Hg2+
Атом элемента в зависимости от его природы может связываться с нуклеотидом как путём замещения протона в группах, способных к ионизации, так и путём присоединения к атомам азота гетероцикла, обладающим повышенной электронной плотностью (донорно-акцепторная связь). С металлами, не способными к комплексообразованию, например, со щелочными и щелочноземельными, нуклеотиды образуют соли по фосфатной группе. В виде таких солей нуклеотиды обычно выделяются из гидролизатов нуклеиновых кислот и хранятся. Если в нуклеотидах или нуклеозидах имеется свободная цис-диольная группировка, то они могут давать
400
комплексы с борной кислотой. В зависимости от концентрации дио-ла (в данном случае нуклеотида или нуклеозида) одна молекула борной кислоты может координироваться с одной или двумя молекулами диола:
С ионами двухвалентной меди нуклеотиды также образуют соли хелатного типа. В этом случае в образовании связи с металлом участвуют фосфатная группа и азот остатка гетероциклического основания.
В отсутствие фосфатного остатка, т.е. в случае нуклеозидов, взаимодействие со способными к комплексообразованию элементами и веществами может происходить за счет первичной гидроксильной группы рибозы и аминогруппы основания1.
Олигонуклеотиды находят широкое применение в биохимии, генной инженерии, молекулярной биологии. Потребность в них растёт, и это стимулирует химиков к постоянному изучению свойств и методов синтеза.
Синтетические олигонуклеотиды применяются для изучения закономерностей поведения нуклеиновых кислот: нуклеиново-
кислотного и нуклеиново-белкового узнавания, структурной топографии активных центров белков и сложных рибонуклеотидных комплексов, а также создания на их основе диагностических систем и потенциальных терапевтических препаратов с улучшенными фармакокинетическими и фармакодинамическими свойствами.
Ярким примером использования синтетических олигонуклеотидов в молекулярной биологии служит расшифровка генетического кода. Огромные перспективы для молекулярной биологии, молекулярной генетики, а также генетической инженерии открывает созданная в последние годы методология синтеза двутяжевых олигодезоксирибонуклеотидов, узнаваемых ферментами рестрикции, однотяжевых олигонуклеотидов, комплементарных различным участкам вирусных РНК и тРНК. Это создаёт новые возможности исследования функционирования гена (промоторной и терминаторной его функции) и процессов белково-нуклеиновых взаимодействий.
Кроме того, доступность олигонуклеотидов делает возможным изучение физико-химических свойств НК, взаимодействия НК с ан-
1 Шабарова З.А., Богданов А.А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов. М.: Химия, 1978. С. 138.
401
тибиотиками и белками (в том числе различными ферментами нуклеинового обмена), а также определение первичной структуры НК путём частичного ферментативного копирования с помощью затравок и т. д. Синтетические олигонуклеотиды также широко используются в качестве матриц и затравок для ДНК- и РНК-полимераз, обратной транскриптазы. Всё это свидетельствует об исключительно важной роли олигонуклеотидов как инструмента исследований в современной науке о химических основах жизни.
И. Г. Широкова, Н. А. Соловьёв
Источники химического загрязнения и их влияние на гидросферу и здоровье человека
Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление вредных веществ, ухудшающих качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и берегов водных объектов1.
На территории России практически все водоёмы подвержены антропогенному влиянию. Качество воды в большинстве из них не отвечает нормативным требованиям1 2. Источники загрязняющих веществ разнообразны, а виды отходов и характер их воздействия на компоненты биосферы многочисленны. Можно назвать следующие источники загрязнения гидросферы: промышленность, сельское
хозяйство, добыча, транспортировка и переработка горючих полезных ископаемых; производство энергии; коммунальное хозяйство; транспорт; кислотные осадки.
Огромный вред наносят водным ресурсам сточные воды целлюлозно-бумажной, пищевой, деревообрабатывающей, нефтехимической промышленности, а постоянное возрастание масштабов морских перевозок вызвало почти повсеместное загрязнение морей и океанов нефтью и нефтепродуктами.
Массовое применение минеральных удобрений и химических средств защиты растений привело к появлению ядохимикатов в природных водах и к загрязнению биогенными элементами водоёмов3.
1 Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. М., 2002. С. 158.
2 Бастман Т. Кризис окружающей среды. СПб.: Прогресс-погода, 1995. С. 83.
3 Садовникова Л.К., Орлов Д.С., Лозановская И.Н. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении. М.: Высш. шк., 2008. С. 18.
402
