Структура, функции, свойства биологически важных спиртов, аминов, карбоновых кислот и их производных


СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫХ СПИРТОВ, АМИНОВ, КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ

1.

Многоатомные спирты: этандиол, глицерин, инозит. Хелатные комплексы

Эта качественная реакция характерна для многоатомных спиртов с открытой цепью и некоторых циклических спиртов, в которых гидроксильные группы достаточно сближены.

2.

Сложные эфиры многоатомных спиртов с неорганическими кислотами (нитроглицерин, фосфаты глицерина, инозита).

3.

Двухатомные фенолы: гидрохинон, резорцин, пирокатехин.

4.

Полиамины: этилендиамин, путресцин, кадаверин.

5.

Аминоспирты: аминоэтанол (коламин), холин, ацетилхолин

6.

Аминофенолы: дофамин, норадреналин, адреналин. Понятие о биологической роли этих соединений и их производных.

7. Монокарбоновые кислоты: химические свойства с участием карбоксильной группы: (образование солей, сложных эфиров, амидов, ангидридов). Функциональные производные карбоновых кислот тиоэфиры – (АцетилКоА, АцилКоА).

Карбоновые кислоты, содержащие в своем составе одну карбоксильную группу, называют одноосновными, две - двухосновными и т. д. При взаимодействии карбоновых кислот со щелочами, карбонатами и гидрокарбонатами образуются соли:

Наиболее важные реакции монокарбоновых кислот приведены на схеме 1.

Схема 1. Некоторые реакции нуклеофильного замещения в карбоновых кислотах

Реакция этерификации катализируется сильными кислотами.

Тиоэфиры - серные аналоги сложных эфиров - находят весьма ограниченное применение в классической органической химии, но играют важную роль в организме. Известно, что для проявления каталитической активности большинству ферментов, имеющих белковую природу, необходимо соучастие коферментов, которыми служат разнообразные по строению низкомолекулярные органические соединения небелковой природы. Одну из групп коферментов составляют ацилкоферменты, выполняющие функцию переносчиков ацильных групп. Из них наиболее распространен ацетилкофермент А. При всей сложности строения молекулы ацетилкофермента А с позиций химического подхода можно определить, что этот кофермент функционирует как тиоэфир. В качестве тиола, участвующего в его образовании, выступает кофермент А (сокращенно обозначаемый CoASH), молекула которого построена из остатков трех компонентов - 2-аминоэтантиола, пантотеновой кислоты и аденозиндифосфата (дополнительно фосфорилированного по положению 3 в рибозном фрагменте). Аденозиндифосфат (АДФ) рассмотрен в дальнейшем как представитель другой важной группы коферментов - нуклеозидполифосфатов. Пантотеновая кислота образует, с одной стороны, амидную связь с 2-аминоэтантиолом, а с другой - сложноэфирную связь с остатком АДФ.

По ацилирующей способности все ацилкоферменты А и в том числе ацетилкофермент А, будучи тиоэфирами, занимают «золотую середину» между высокореакционными ангидридами и малоактивными карбоновыми кислотами и сложными эфирами. Их достаточно высокая активность обусловлена, в частности, повышенной стабильностью уходящей группы - аниона CoA-S- - по сравнению с гидроксид- и алкоксид-ионами кислот и сложных эфиров соответственно.

Ацетилкофермент А in vivo является переносчиком ацетильных групп на нуклеофильные субстраты.

Этим путем, например, осуществляется ацетилирование гидроксилсодержащих соединений.

С использованием ацетилкофермента А протекает превращение холина в ацетилхолин, являющегося посредником при передаче нервного возбуждения в нервных тканях (нейромедиатором).

Кроме этого, можно отметить важное участие в процессах обмена веществ самого кофермента А, функционирующего в качестве тиола. В организме любые карбоновые кислоты активируются путем превращения в реакционноспособные производные - тиоэфиры.

АцилКоА образуется при активации жирных кислот. Свободная жирная кислота независимо от длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окислению, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима A (HS-KoA) и ионов Mg2+. Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-синтетазой:

В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты.

8. Насыщенные дикарбоновые кислоты: щавелевая, малоновая, янтарная, глутаровая. Соли щавелевой кислоты - оксалаты. Превращение янтарной кислоты в фумаровую как пример биологической реакции дегидрирования.

В настоящем разделе будут рассмотрены некоторые представители дикарбоновых кислот алифатического и ароматического рядов (табл. 1). Все они представляют собой кристаллические вещества.

Таблица 1. Названия некоторых дикарбоновых кислот и их производных

Название кислоты

Формула

Название аниона или основы сложного эфира

Щавелевая (этандиовая)

НООС-СООН

Оксалат

Малоновая (пропандиовая)

НООС-СН2-СООН

Малонат

Янтарная (бутандиовая)

НООС-(СН2)2-СООН

Сукцинат

Глутаровая (пентандиовая)

НООС-(СН2)3-СООН

Глутарат

Систематические названия дикарбоновых кислот строятся по общим правилам заместительной номенклатуры. Однако для большинства из них предпочтительны тривиальные названия. Их латинские названия служат основой названия анионов и производных кислот, которые часто не совпадают с русскими тривиальными названиями (см. табл. 1).

Щавелевая кислота - простейшая двухосновная кислота. Некоторые ее соли, например оксалат кальция, трудно растворимы и часто образуют камни в почках и мочевом пузыре (оксалатные камни).

Янтарная кислота в заметном количестве была обнаружена в янтаре, откуда получила название сама кислота и ее производные сукцинаты (от лат. succinium - янтарь).

Глутаровая кислота (Пентандиовая кислота) - двухосновная предельная карбоновая кислота. Обладает достаточно высокой растворимостью в воде. Используется в производстве полимеров, типа полиэстера и полиамидов.

Кето-производное глутаровой кислоты - α-кетоглутаровая кислота (α-кетоглутарат) является важным биологическим соединением. Эта кетокислота образуется при дезаминировании глутамата, и является одним из промежуточных продуктов цикла Кребса.

Оксалаты - соли и эфиры щавелевой кислоты. Соли содержат в своём составе дианион (оксалат) C2O42− или (COO)22−, образующийся при двойном депротонировании щавелевой кислоты.

Большинство солей оксалатов малорастворимы в воде, например, оксалат кальция, который используется для обнаружения кальция. Хорошо растворимы оксалат калия и аммония.

Анион оксалата может выступать в качестве бидентатного лиганда, образуя пятичленный цикл  MO2C2, как например, в ферриоксалате калия - K3[Fe(C2O4)3]. Благодаря его хорошей растворимости щавелевая кислота используется для удаления ржавчины.

Оксалаты широко распространены в природе, например, в щавеле. Корни и/или листья ревеня, гречихи содержат щавелевую кислоту. Накопление щавелевой кислоты происходит из-за неполного окисления углеводов в процессе биосинтеза.

Следующие съедобные растения содержат оксалаты в порядке уменьшения концентрации чёрный перец, петрушка, семена мака, шпинат, сахарная свекла, какао, шоколад, большинство орехов и ягод, фасоль.

Листья чайного куста содержат большое относительное количество оксалатов по отношению к другим растениям. Обычно его экстракты содержат от малых до средних концентраций оксалатов благодаря малой массе используемых листьев.

Сродство оксалата к двухвалентным катионам отражается в способности к образованию нерастворимых осадков. Так в организме оксалат соединяется с катионами, такими как Ca2+, Fe2+ и Mg2+. Вследствие чего накапливаются кристаллы соответствующих оксалатов, которые из-за своей формы раздражают кишечник и почки. Поскольку оксалаты связывают важные элементы, например кальций, то долгое питание пищей, содержащей много оксалатов, может вызвать проблемы со здоровьем.

Здоровый человек может безопасно питаться пищей с оксалатами в умеренных количествах, но для людей с болезнями почек, подагрой, ревматоидным артритом рекомендуется избегать пищи с большим количеством оксалатов. Кристаллы оксалата кальция, более известные как почечный камень, забивают почечные протоки. Считается, что 80 % почечных камней образуется из оксалата кальция.

Аналогично, большие поступления кальция совместно с пищей содержащей оксалаты приводит к выпадению оксалата кальция в пищеварительном тракте, уменьшая поступления оксалатов в организм на 97 %.

Окисление янтарной кислоты in vivo. Дегидрирование (окисление) янтарной кислоты в фумаровую, катализируемое в организме ферментом, осуществляется с участием кофермента ФАД. Реакция протекает стереоспецифично с образованием фумаровой кислоты (в ионной форме - фумарат).

Сукцинатдегидрогеназа (КФ 1.3.99.2) катализирует превращение янтарной кислоты в фумаровую. Кофактором фермента является ФАД. Фермент прочно связан с внутренней мембраной митохондрий.

10.

Ненасыщенные дикарбоновый кислоты: фумаровая, малеиновая их пространственное строение.

10. Гидроксикарбоновые кислоты: гликолевая, молочная, яблочная, лимонная, изолимонная, - и -гидроксимасляные. Химические свойства: реакции дегидратации, окисления, образования эфиров.

Содержат функциональную гидроксильную группу. В природе встречаются моно- , ди -, трикарбоновые кислоты, содержащие одну или несколько гидроксильных групп.

Моногидроксимонокарбоновые кислоты

Содержат две функциональные группы

- карбоксильную и гидроксильную ( первичную, вторичную, третичную), которые определяют их химические свойства

Для моногидроксикарбоновых кислот характерна изомерия:

- структурная (связана со строением скелета и положением гидроксильной группы)

- оптическая (стерео), проявляющаяся в существовании энантиомеров.

Гидроксикарбоновые кислоты хорошо растворимы в воде.

Гомологический ряд начинается с гидроксиуксусной (гликолевой) кислоты.

СН2 – СООН

|

ОН

Твердое кристаллическое вещество. Обнаружена в свекловичном соке, репе, незрелом винограде. Применяется в промышленности для дубления кож, а в косметологии - самостоятельно или в составе «фруктовых кислот» в качестве химического пилинга для удаления части наружного мертвого эпителиального слоя кожи.

Гидроксипропановые кислоты - возможны 2 структурных изомера.

2-гидроксипропановая кислота (молочная, лактат) - важнейший природный метаболит, образуется из углеводов (глюкозы, крахмала, гликогена) в условиях анаэробного обмена (в отсутствии кислорода).

Содержит асимметрический ( * ) атом углерода, существует в виде двух изомеров: L-лактата и D –лактата.

Молочная кислота широко распространена в природе как продукт молочнокислого брожения лактозы, содержащейся в молоке, и других углеводов, входящих в состав овощей и плодов. Кислое молоко, кефир, кислая капуста, моченые яблоки и т.д. содержат в значительном количестве молочную кислоту, образующуюся в результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий. Соли называют лактаты. Молочная кислота содержит асимметрический атом углерода, поэтому может существовать в виде двух энантиомерных форм. В организме L-(+)-молочная кислота, называемая также мясомолочной кислотой, является одним из продуктов превращения глюкозы (гликолиза). Она накапливается в мышцах при интенсивной работе, вследствие чего в них возникает характерная боль. Причина накопления молочной кислоты – недостаток кислорода, что вызывает восстановление пировиноградной кислоты в молочную с участием кофермента НАДН.

Соли молочной кислоты носят название лактаты, в медицине молочную кислоту используют для пилинга, для оценки функции печени. В пищевой промышленности ее добавляют к сокам, эссенциям.

В биохимических реакциях важную роль играет обратимая реакция окисления молочной кислоты в пировиноградную, которая протекает в печени, миокарде и других органах и тканях организма в присутствии кислорода.

фермент лактатдегидрогеназа

СН3 – СН- СООН + НАД+ <—————> СН3 -С - СООН + НАДН + Н+

| | |

ОН О

молочная кислота пировиноградная кислота

Гидроксибутановые кислоты.

Биологическое значение имеют 2 изомера: 3-гидроксибутановая кислота и 4-гидроксибутановая кислота

3-гидроксибутановая кислота (ß-оксимасляная) – образуется в связанном состоянии с белком-ферментом в процессе биосинтеза высших карбоновых кислот, L –стереоизомер образуется в печени и в свободном виде выделяется в кровь, поступает в мышцы и выполняет энергетические функции, участвуя в реакциях цикла Кребса. Эта биологическая функция обозначается как «кетоновое тело».

СН3 – СН – СН2 - СООН

|

ОН

3-гидроксибутановая кислота | L -3-гидроксибутановая кислота

В биохимических реакциях in vivo 2 превращения имеют важное значение для протекания обмена веществ:

- реакция окисления (образуется 3–оксобутановая кислота):

СН3 – СН – СН2- СООН + НАД+ < —————> СН3 – С – СН2 - СООН + НАДН + Н+

| | |

ОН О

3-оксобутановая кислота

(ацетоуксусная)

- реакция дегидратации (образуется 2-бутеновая – кротоновая кислота):

СН3 – СН – СН2 - СООН <—————> СН3 – СН = СН - СООН + Н2О

| более сильный

ОН кислотный центр 2-бутеновая( кротоновая) кислота

В таком же направлении проходит реакция in vitro (по правилу Попова-Зайцева)

Дегидратация 3-гидроксибутановой кислоты относится к реакциям элиминирования. Из двух возможных изомеров образуется только один, поскольку атомы водорода, связанные с атомом углерода С-2 являются более подвижными. Вследствие акцепторного действия карбоксильной группы у атома С-2 образуется более сильный кислотный центр, чем у С-4. Реакция обратима, при гидратации кротоновой кислоты образуется 3-гидроксибутановая кислота.

4-гидроксибутановая (γ–оксимасляная, ГОМК)

СН2– СН2 – СН2- СООН

‌|

ОН

В организме человека γ - оксимасляная кислота образуется в нейронах мозга и обладает фармакологическим эффектом, является медиатором торможения центральной нервной системы.

Используется как лекарственный препарат только в виде соли - натрия оксибутирата (Natrii оxybutyras), чтобы исключить образование лактона, поскольку лактон не обладает фармакологическом эффектом.

NB! Врач-анестезиолог должен помнить, что при изменении нормального значения рН крови в кислую сторону (что часто встречается при недостатке кислорода) происходит превращение натрия оксибутирата в γ- оксимасляную кислоту, которая сразу образует неактивный бутиролактон и эффективность действия препарата снижается.

Гидроксидикарбоновые кислоты (содержат две карбоксильные группы)

Моногидроксидикарбоновая кислота – 2-гидроксибутандиовая (оксиянтарная, яблочная кислота, малат) – биологически активное соединение, присутствует в тканях животных, человека, в растениях ( много в рябине, барбарисе). Впервые выделена К.Шееле в 1785 г. из незрелых яблок

НООС – СН2 – СН – СООН

|

ОН

Существует в виде двух стереоизомеров и рацемической смеси. L-малат образуется в процессе реакций цикла Кребса. Присутствие гидроксильной группы делает возможным две реакции: элиминирования и окисления.

Обратимая реакция элиминирования (дегидратации) приводит к образованию более устойчивого транс-изомера бутендиовой кислоты – фумаровой. В условиях in vivo эта реакция происходит в процессе цикла Кребса.

НООС-СН(ОН )-СН2 –СООН НООС-СН=СН-СООН + Н2О

фумаровая кислота

(транс-бутендиовая)

Обратимая реакция окисления сопровождается образованием кетокислоты: 2-оксобутандиовой (оксоянтарной, щавелевоуксусной )

НООС- СН-СН2-СООН + НАД + НООС-С –СН2 -СООН

| | |

ОН О

щавелевоуксусная кислота (ЩУК)

Яблочную кислоту в медицине применяют в составе слабительных средств и препаратов от хрипоты. 

Гидрокситрикарбоновая кислота - лимонная, изолимонная кислоты

CООН СООН

| |

НООС - СН2 – С - СН2- СООН НООС - СН-СН-СН2-СООН

| |

ОН ОН

лимонная кислота изолимонная кислота

Лимонная кислота (цитрат) твердое кристаллическое вещество, растворима в воде.

Принадлежит к наиболее распространенным кислотам растений: в большом количестве находится в соке лимонов( 6-8%), в смородине, бруснике, в свекольном соке, хвое, вине. В животных и человеческих клетках образуется в митохондриях, где в матриксе с ее участием проходит комплекс реакций, получивших название «цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот).

Образует кислые и средние соли, связывает ионы кальция, ее используют в качестве антикоагулянта, добавляя к препаратам крови для предотвращения свертываемости, поскольку ионы кальция входят в состав факторов свертывающей системы крови.

При дегидратации лимонная кислота превращается в аконитовую (в реакциях цикла Кребса в цис-аконитовую). Гидратация цис -аконитовой сопровождается образованием изомера - изолимонной кислоты.

Лимонная и изолимонная кислоты отличаются положением гидроксигруппы: цитрат – третичный спирт, а изоцитрат – вторичный.

NB! Только у изолимонной кислоты гидрокси- группа может окисляться и эта реакция используется в цикле Кребса.

Лимонную кислоту используют в пищевой промышленности при изготовлении соков, напитков, кондитерских изделий, в медицине- добавка в производстве ряда лекарственных препаратов ( цитрамон – против головной боли), стерильный 4-5%раствор цитрата натрия используют для консервирования крови.

Образование эфиров.

a-Гидроксикислоты дегидратируются межмолекулярно, при этом спиртовые группы взаимодействующих молекул взаимно ацилируются карбоксильными группами этих кислот с образованием устойчивых циклических сложных эфиров, называемых лактидами (от латинского названия молочной кислоты):

В этой электрофильно-нуклеофильной реакции каждая молекула за счет спиртовой группы выступает нуклеофилом, а за счет карбоксильной группы - электрофилом. Лактиды, как и сложные эфиры, при кипячении с водой в присутствии кислот или щелочей гидролизуются с образованием исходных кислот.

у- и 5-гидроксикислоты, вследствие пространственной близости —ОН и СООН-групп, очень неустойчивы и легко отщепляют молекулу воды вследствие внутримолекулярного ацилирования спиртовой группы с образованием устойчивых пяти- и шестичленных циклических внутренних сложных эфиров -лактонов:

11. Оксокарбоновые кислоты – альдегидо- и кетонокислоты: глиоксиловая, пировиноградная, щавелевоуксусная, β-оксомасляная, -оксоглутаровая.

Оксокислоты - соединения, содержащие одновременно карбоксильную и альдегидную (или кетонную) группы. В соответствии с этим различают альдегидокислоты и кетокислоты.

Простейшей альдегидокислотой является глиоксиловая кислота НОСН2СООН.

Она содержится в недозрелых фруктах, но по мере созревания ее количество уменьшается. Встречается во многих растениях, например свекле и винограде.

Важную роль в биохимических процессах играют следующие кетонокислоты:

Пировиноградная, щавелевоуксусная и a-оксоглутаровая кислоты участвуют в цикле трикарбоновых кислот. Ацетоуксусная кислота относится к b-кетонокислотам. При переаминировании a-кетонокислоты образуют соответствующие a-аминокислоты.

Пировиноградная кислота СН3С(О)СООН - одно из центральных соединений в цикле трикарбоновых кислот. Она является также одним из промежуточных продуктов при молочнокислом и спиртовом брожении углеводов.

Своим названием пировиноградная кислота обязана тому, что впервые была выделена при пиролизе виноградной кислоты. Ее соли называют пируватами. Пировиноградная кислота легко декарбоксилируется при нагревании с разбавленной и декарбонилируется - с концентрированной серной кислотой. При окислении пировиноградная кислота превращается в уксусную кислоту и оксид углерода (IV).

Декарбоксилирование пировиноградной кислоты in vivo протекает в присутствии фермента декарбоксилазы и соответствующего кофермента. Получающийся при этом ацетальдегид, не теряя связи с коферментом («активный ацетальдегид»), может присоединяться к a-кетонокислотам, образуя a-ацето-a-гидроксикислоты. Пировиноградная кислота сильнее уксусной и способна к енолизации. Важное её производное – фосфоенолпировиноградная кислота (фосфат енольной формы пировиноградной кислоты). В организме анион этой кислоты – фосфоенолпируват – образуется в процессе гликолиза и служит предшественником пирувата.

Ацетоуксусная кислота СН3С(О)СН2СООН — пример b-кетонокислоты. В свободном состоянии представляет сиропообразную жидкость, уже при комнатной температуре медленно выделяющую диоксид углерода. Получающийся при этом ацетон образуется первоначально в енольной форме. Подобное декарбоксилирование – общее свойство b-кетонокислот.

Ацетоуксусная кислота образуется in vivo в процессе метаболизма высших жирных кислот и как продукт окисления b-гидроксимасляной кислоты наряду с продуктами ее превращений накапливается в организме у больных сахарным диабетом (так называемые «ацетоновые» или «кетоновые» тела).

-оксоглутаровая кислота – субстрат цикла Кребса, метаболит реакций трансаминирования и дезаминирования аминокислот.

HOOC-CH2-CH2-CO-COOH

12. Реакции декарбоксилирования -кетонокислот и окислительного декарбоксилирования кетонокислот, реакции восстановления. Кето-енольная таутомерия.

СН3 – СО - СН2 – СООН Ацетоацетат

НАДН+Н+ НАДН+Н+

Восстановление СО2

НАД+ НАД+ спонтанное декарбоксилирование

Е- β-гидроксибутират-ДГ

СН3 – СН - СН2 – СООН СН3 – С – СН3

│ ║

ОН О

β-гидроксибутират ацетон

Реакции окислительного декарбоксилирования кетокислот:

Окислительное декарбоксилирование ПВК

Окислительное декарбоксилирование альфа-кетоглутората

Таутомерия - явление обратимой изомерии, при которой два или более изомеров легко переходят друг в друга. Вещество содержит одновременно несколько изомерных структур, находящихся в равновесии в определенном соотношении. Понятие кето-енольная таутомерия подразумевает, что химическое соединение может существовать в нескольких формах: кетоновой и енольных, находящихся в динамическом равновесии. Образование енольной формы связано с перемещением атома водорода из соседнего СН-кислотного центра к более электроотрицательному атому кислорода.

(термин «енол» означает, что гидроксильная группа находится у атома углерода в sp2 –гибридном состоянии. Вспомните название – фенол)

Соединение в енольной форме относится к НО-кислотам в соответствии с теорией Бренстеда-Лоури.

В енольной форме всегда возникает сопряженная система по типу π, р.

Например, лактат – енольная форма вещества, пируват - кетоформа

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Гидроксикарбоновые кислоты Насыщенные дикарбоновые кислоты Монокарбоновые кислоты

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok