Связи азота в нуклеиновых кислотах

В нуклеиновых кислотах особенности связей N—Н и образуемых ими водородных связей создают так называемую комплементарность. Это взаимное парное соответствие строения четырех азотистых оснований: тимина, аденина, цитозина и гуанина:

Пара тимин — аденин связана двумя водородными связями, а пара цитозин — гуанин — тремя. При этом в обеих парах плоские структуры взаимодействующих гетероциклов (тимина и аденина, цитозина и гуанина) могут лежать в одной плоскости друг с другом и соединяющими их водородными связями или образовывать пространственную фигуру, напоминающую пропеллер. Эти возможности обусловлены связями. А именно, атомы азота, связанные водородной связью, обладают 5р²-гибридизацией, и поэтому ось связи N—Н совпадает с осью электронной пары противолежащего атома азота. Иными словами, в каждой взаимодействующей паре образуется осевая структура ^)N—H***N^ которая дополнительными водородными связями превращается в общую плоскую или пропеллерообразную комплементарную структуру.

Связи азота в металлсодержащих биомолекулах.

Азот очень часто играет роль донорного атома в полидентатных лигандах, участвующих в образовании биологически активных комплексных соединений. Донорные свойства атомов азота в этом случае обусловлены их электронными парами, так же как и донорные свойства молекулы аммиака. Эти неподеленные пары способны образовывать с вакантными орбиталями многих катионов донорно-акцепторные связи. Образование подобных связей — необходимое условие работоспособности многих ферментов. Но ярче всего роль донорно-акцепторных связей азота видна на примере комплексов порфина. Молекула порфина — плоский тетрадентатный макроциклический лиганд:

Если какие-либо из восьми внешних атомов водорода пиррольных циклов порфина замещены на какие-либо группы органической природы, то образованные таким образом соединения называются порфиринами. Именно к семейству порфиринов относятся макроциклические лиганды, образующие хлорофилл, цитохромы, гемоглобин и миоглобин. Два атома водорода внутреннего тетрадентатного макроцикла в этих соединениях могут замещаться на катион металла с образованием макроциклических комплексов. При замещении катионом магния Mg²⁺ образуется хлорофилл:

Этот порфириновый комплекс поглощает все фотоны видимого света, за исключением тех, для которых длины волн соответствуют зеленой части спектра, и переходит в возбужденное электронное состояние. Энергия возбуждения затрачивается на удаление электрона с одной из орбиталей фотосистемы. В результате работы фотосинтетической системы растений образуется универсальный аккумулятор химической энергии аденозинтрифосфат, который далее используется для восстановления С0₂и образования сахаров.

В гемоглобине и миоглобине роль центрального иона играет Fe²⁺. Комплекс Fe²⁺ с порфирином называется гемом. Если структуру гема изобразить в виде диска, то присоединение молекулы кислорода представляется схемой, изображенной на рис. 19.10, из которой очевидно, что атомы азота участвуют не только в образовании четырех координационных связей внутри макроцикла гема, но и входят в состав гистидиновых групп белка глобина. Атом азота одного из гистидиповых циклов (он изображен в правой части рис. 19.10) образует дополнительную, пятую координационную связь с катионом Fe²⁺. Атом азота другого гистидинового цикла участвует в образовании водородных связей группы NH (на рисунке слева), благодаря которым дополнительно удерживается молекула кислорода, занимающая шестое координационное место катиона Fe²⁺.