Урацил как один из основных компонентов РНК

Урацил является одним из четырех основных компонентов нуклеиновой кислоты РНК, который играет важную роль в организме человека, животных и растений. Урацил в химическом отношении представляет собой деметилированную форму тимина.

---

Открытие

Урацил был выделен в 1900 году в Марбурге как продукт расщепления ядер дрожжей итальянским химиком-физиологом Альберто Асколи по совету своего учителя Альбрехта Косселя. Название урацилу придумал лейпцигский химик Роберт Беренд, который вывел структуру этого соединения из метилового производного в 1885 году — во время своих попыток синтезировать производные мочевой кислоты.

---

Характеристики

Урацил в свободном виде представляет собой белое порошкообразное твердое вещество, которое плавится при температуре 341°C. Соединение было обнаружено при гидролитической деградации нуклеиновых кислот. Рентгеноструктурный анализ показал, что из возможных таутомерных форм в твердом состоянии (существует несколько десмотропных форм) присутствует диоксоформа.

Урацил является достаточно слабой кислотой с показателем кислотности равным 9,45. Константа кислотности находится в пределах фенола (рК а = 10,0) и других енолов. В урацил-анионе отрицательный заряд делокализован ( мезомерные граничные структуры). Поэтому урацил растворяется в водных щелочах и водном аммиаке.

Окислительная деградация урацила приводит к образованию мочевины и малеиновой кислоты в присутствии H ₂ O ₂ и Fe ²⁺ или в присутствии двухатомного кислорода и Fe ²⁺.

---

Синтез

На сегодняшний день известно два способа получения урацила, который включает в себя естественный или биологический и синтетический или лабораторный.

Биологический способ, который осуществляется в  большинстве организмов, заключается в синтезе урацила в форме уридинмонофосфата (УМФ) путем декарбоксилирования оротидиловой кислоты. У человека это декарбоксилирование достигается ферментом УМФ-синтазой. В отличие от пуриновых нуклеотидов, пиримидиновое кольцо (оротидиловая кислота), ведущее к урацилу, синтезируется первым, а затем связывается с рибозофосфатом, образуя уридинмонофосфат.

Что же касается лабораторных методов синтеза урацила, то сегодня их достаточно много. Самой простой химической реакцией при которой получается необходимое соединение, является добавление воды к цитозину. В результате образуются урацил и аммиак:

C ₄ H ₅ N ₃ O + H ₂ O → C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ + NH ₃
Наиболее распространенным способом синтеза урацила является конденсация яблочной кислоты с мочевиной в дымящей серной кислоте:

C ₄ H ₄ O ₄ + NH ₂ CONH ₂ → C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ + 2 H ₂ O + CO
Урацил также можно синтезировать двойным разложением тиоурацила в водном растворе хлоруксусной кислоты, но этот метод применяется не так часто.

Кроме того, в 2009 году специалисты NASA сообщили, что урацил был добыт из пиримидина и водяного льда, подвергая его воздействию ультрафиолетового света в условиях, которые идентичны космическим. Этот факт позволяет предположить, что первоначальное появление урацила относится именно к космическому пространству. После дополнительных исследований ученые в 2014 году сообщили, что они воспроизвели в лаборатории условия подобные космическим и в ходе опыта образовались дополнительные сложные ДНК и РНК (органические соединения жизни), включая урацил, цитозин и тимин. Сегодня учеными предполагается, что первоначальный синтез происходил в красных гигантах или в межзвездных пылевых и газовых облаках.

---

Биологическое значение

Биологическое значение урацила в организме заключается в помощи в синтезе многих ферментов, необходимых для функционирования клеток, посредством связывания с рибозами и фосфатами. Урацил служит аллостерическим регулятором и коферментом реакций у животных и растений. Уридинмонофосфат контролирует активность карбамоилфосфатсинтетазы и аспартаттранскарбамоилазы в растениях. тогда как UDP и UTP регулируют активность CPSазы II у животных. УДФ-глюкоза регулирует превращение глюкозы в галактозу в печени и других тканях в процессе углеводного обмена. Урацил также участвует в биосинтезе полисахаридов и транспортировке сахаров, содержащих альдегиды.

Урацил важен для детоксикации многих канцерогенов, например тех, которые содержатся в табачном дыме. Он также необходим для детоксикации многих лекарств, таких как каннабиноиды (ТГК) и морфин (опиоиды). Это может незначительно увеличить риск развития рака в определенных случаях, когда в организме наблюдается критический дефицит фолиевой кислоты. Дефицит фолата приводит к увеличению соотношения дезоксиуридинмонофосфатов (dUMP)/ дезокситимидинмонофосфатов (dTMP) и неправильному включению урацила в ДНК и, в конечном итоге, к снижению продукции ДНК.

Урацил так же играет значимую роль в доставке лекарств и в качестве фармацевтического препарата. Когда элементарный фтор реагирует с урацилом, образуется 5-фторурацил, который представляет собой противораковый препарат (антиметаболит), используемый для маскировки под урацил во время процесса репликации нуклеиновой кислоты. Поскольку 5-фторурацил по форме похож на урацил, но не подвергается такому же химическому воздействию, препарат ингибирует ферменты транскрипции РНК, тем самым блокируя синтез РНК и останавливая рост раковых клеток. Урацил также участвует в синтезе кофеина и показал потенциал в качестве ингибитора капсида вируса ВИЧ.

Производные урацила обладают противовирусной, противотуберкулезной и противолейшманиозной активностью.

Его так же можно использовать для определения микробной обсемененности томатов. Наличие урацила указывает на зараженность плодов молочнокислыми бактериями. Производные урацила, содержащие диазиновое кольцо, используются в пестицидах, но чаще используются в качестве антифотосинтетических гербицидов, уничтожающих сорняки на хлопчатнике, сахарной свекле, репе, сое, горохе, посевах подсолнечника, виноградниках, ягодных плантациях и садах. Производные урацила так же могут усиливать активность противомикробных полисахаридов, таких как хитозан.
В дрожжах концентрация урацила обратно пропорциональна пермеазе урацила.