Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
 Скачать 4.37 Mb.
|
Масляная кислота ( н- бутановая кислота)Представляет собой жидкость, обладающую резким запахом, а в разбавленном состоянии- неприятным запахом пота. В виде глицеринового эфира содержится в коровьем молоке, сливочном масле, образуется как промежуточный продукт в процессе биохимических реакций окисления карбоновых кислот с большим числом атомов углерода. Получается в различных бактериальных процессах брожения из углеводов( маслянокислое брожение) и содержится в продуктах питания( квашеная капуста, лимбургский сыр), небольшие количества выделяются в составе пота человека. Валериановые кислоты С4 Н9 СООН ( 4 изомера) Изовалериановая- 3-метилбутановая кислота- в значительных количествах содержится в корне валерианы, а виде эфиров- в различных эфирных маслах. Соли и эфиры этой кислоты называют изовалераты. СН3 – СН – СН 2 – СООН| СН3 Препараты валерианы уменьшают возбудимость центральной нервной системы, усиливают действие снотворных препаратов, обладают спазмолитическим действием. Их применяют при нервном возбуждении, бессоннице, неврозах, спазмах желудочно-кишечного тракта. 5.5. Непредельные монокарбоновые кислотыПропеновая ( акриловая ) кислота СН 2=СН— СООН - первый представитель ряда2,3-непредельных кислот – бесцветная жидкость с резким запахом, полимеризуетсяпри хранении. В организме человека в биохимических реакциях не встречается. Характерны все реакции карбоновых кислот и алкенов: Вступает в реакции присоединения воды, галогеноводородов и аммиака ( присоединение происходит против правила Марковникова ) Используется в производстве полимеров – полиакрила, полиакрилонитрила, полиакриламида и их сополимеров с другими мономерами. Полимеры могут обладать свойствами каучуков или напоминают по внешнему виду стекло – органическое стекло, используются как основа при проведении электрофореза белков в полиакрилатном геле. Метилпропеновая ( метакриловая ) кислота СН 2=С- СООН используется широко в производстве пластмасс : органического | стекла, в составе сополимеров для зубных протезов, СН 3 пломбировочного материала в стоматологии. По химическим свойствам напоминает акриловую. Кротоновая (2-бутеновая ) кислота - при комнатной температуре кристаллическое соединение, растворима в воде( 7,6 г / 100 г при Т=200 , 65,5 г при 400 ). СН3 - СН =СН - СООН Существует в 2 формах: транс – изомер принято называть кротоновой, а цис-изомер – изокротоновой. Образует все функциональные производные карбоксильной группы; по двойной связи присоединяет водород, галогены, галогеноводороды ( последние против правила Марковникова). В клетках в условиях invivo важное значение имеет реакция гидратации активной формы кротоновой кислоты, участвует фермент крононаза). Реакция идет в соответствии с распределением электронной плотности в молекуле( посмотрите устойчивость промежуточных σ-комплексов в лекции 4, раздел «Механизм реакции АЕ» ), образуется активная форма 3- гидроксибутановой кислоты. СН3 -СН =СН – СОSКоА + Н2 О ——> СН3 -СН -СН 2– СОSКоА | ОН По такой же схеме происходит гидратация активных форм любых 2,3 – непредельных кислот, которые образуются как в процессе синтеза., так и метаболизма высших карбоновых кислот в организме человека. животных, в клетках микроорганизмов. R-СН 2 -СН =СН – СОSКоА + Н2 О ——> R- СН2 -СН ( ОН ) -СН 2– СОSКоА 5.6. Дикарбоновые кислоты Гомологический ряд насыщенных дикарбоновых кислот С n Н 2n-2 О4 Дикарбоновые кислоты- твердые кристаллические соединения, растворимые в воде, обладают более сильными кислотными свойствами по сравнению с монокарбоновыми кислотами, содержащими одинаковое число атомов углерода.( табл.1). Сравните значения рК а пар кислот : уксусная- щавелевая, пропановая – малоновая, бутановая- янтарная) Химические свойства карбоновых кислот в реакциях SN не отличаются от свойств монокарбоновых кислот: они образуют производные с участием одной или двух карбоксильных групп : сложные эфиры, амиды, соли. Имеются свои особые свойства , связанные с влиянием карбоксильных групп на атомы углерода скелета. Щавелевая кислота(этандиовая, оксалат) НООС-СООН- простейшаядикарбоновая насыщенная кислота, сильная кислота. В виде солей распространена в растениях. Соли носят название оксалаты. Нерастворимая кальциевая соль оксалат кальция содержится в оболочках клеток и внутри клеток лишайников, грибов, водорослей, папоротников. Кислая калиевая соль( кисличная соль ) содержится в щавеле и кислице, в других видах растений встречаются оксалаты натрия и магния. У человека и животных в составе мочи и других биологических жидкостей находят небольшие количества щавелевой кислоты, особенно при приеме больших доз витамина С. Избыток щавелевой кислоты в моче называется оксалурия и является признаком развития мочекаменной болезни, которая характеризуется отложением соли оксалата кальция в почках, суставах, протоках слюнных желез. Образование щавелевой кислоты в организме человека связано с нарушением обмена аминокислоты глицина ( 2- аминоуксусной кислоты ). Под действием серной кислоты или при быстром нагревании invitro наблюдается разложение щавелевой кислоты серная кислота НООС-СООН ————> СО + СО2 + Н2 О НООС-СООН ——нагревание —> НСООН + СО2 Токсичность щавелевой кислоты связана с ее сильными кислотными, восстановительными свойствами и возможным разложением с выделением СО, который необратимо связывается с ионом железа в составе гемоглобина. Малоновая кислота(пропандиовая, малонат) НООС-СН2-СООН содержится в свекольном соке, в организме человека образуется в цитоплазме в связанном с белками –ферментами виде как нормальный продукт в процессе биосинтеза высших карбоновых кислот (см. реакцию образования малонилКоА, приведенную выше). Однако обнаружен еще один патологический путь образования малоновой кислоты при усиленном окислении липидов мембран клеток, который получил название «перекисное окисление липидов» , или сокращенно «ПОЛ». Этот очень важный для понимания жизнедеятельности процесс изучается подробно в курсе биохимии. Малоновая кислота токсична для организма человека и животных. Она имеет структурное сходство с янтарной кислотой( см. последующий раздел) , поэтому малоновая кислота блокирует тот участок реакций цикла Кребса., на котором происходит превращение янтарной кислоты в фумаровую . Нарушение цикла Кребса сопровождается снижением или прекращением выработки АТФ. В биохимии малоновую кислоту называют « конкурентным ингибитором» реакции окисления янтарной кислоты в цикле Кребса. В условиях invitro малоновая кислота легко декарбоксилируется при нагревании, что связано с взаимным влиянием близко расположенных карбоксильных групп. нагревание НООС-СН2-СОООН ———> СН 3- СООН + СО 2 уксусная кислота Янтарная кислота (бутандиовая, сукцинат) НООС-СН2 -СН2 –СООН, хорошо растворима в воде, биоактивное вещество Выделена из янтаря. Обнаружена в клетках растений, в тканях всех животных, содержится в митохондриях. Один из компонентов реакций цикла Кребса. Превращение invivo янтарной кислоты в фумаровую является примером обратимой реакции дегидрирования ( окисления) с участием активированных атомов водорода СН2- кислотного центра и стереоспецифичной реакции. поскольку образуется только один изомер, имеющий транс-строение. фермент НООС-СН2- СН2 - СОООН + ФАД <———> ФАДН2 + НООС-СН = С Н -СООН транс-бутендиовая фумаровая Сложная молекула флавинадениндинуклеотида( ФАД )является окислителем ( аналогично молекуле НАД +), содержит в своем составе рибофлавин - витамин В2. Эту реакцию тормозит( ингибирует) малоновая кислота, в составе которой также две карбоксильные группы, но только один -СН2- кислотный центр. Скелет янтарной кислоты имеют другие биоактивные соединения: яблочная , щавелевоуксусная кислоты, аминокислота аспарагиновая. Все перечисленные кислоты превращаются друг в друга , обеспечивая энергетический и пластический обмен в клетке : янтарная ↔ фумаровая ↔ яблочная ↔ щавелевоуксусная ↔ аспарагиновая. | ……последовательность реакций цикла Кребса…………| В клетках животных и человека янтарная кислота вместе с аминоуксусной кислотой ( глицином ) необходимы для синтеза сложной гетероциклической системы- гема., который состоит из 4 циклов пиррола. Соль янтарной кислоты –сукцинат натрия- применяется как препарат, обладающий общим стимулирующим действием и выпускается в нескольких лекарственных формах: «Сукцинат Кардиа» - для профилактики нарушения сердечной деятельности , «Сукцинат Геронто» - для пожилого возраста, «Сукцинат Бэби» - для детей. Глутаровая кислота (пентандиовая) НООС-СН 2-СН 2-СН 2- СООН, растворима в воде.Содержится в свекольном соке .Скелет глутаровой кислоты имеют биологически активные соединения , участвующие в различных видах обмена : в цикле Кребса – α –кетоглутаровая, лимонная, аминокислота глутаминовая, в синтезе холестерина – 3-гидрокси - 3- метилглутаровая. В растениях обнаружена трикарбоновая кислота- трикарбаллиловая-3-карбоксипентандиовая, в виде кальциевой соли найдена в свекольном соке. НООС- СН2 –СН- СН2 –СООН | СООН Ее производными являются гидроксикислоты: лимонная и изолимонная. 5.7. Непредельные ди- и трикарбоновые кислоты Малеиновая ( цис - бутендиовая) и фумаровая (транс - бутендиовая) кислоты – геометрические изомеры, кристаллические вещества. Малеиновая кислота хорошо растворима в воде, а фумаровая- трудно. Фумаровая кислота- биологически активное соединение - содержится в грибах, лишайниках, клетках растений, выделена из повилики ( Fumaria officinalis) ; в тканях животных и человека образуется в митохондриях в процессе реакций цикла Кребса. Малеиновая кислота- токсичное соединение для животных и человека, в природе не обнаружена. Н Н Н СООН \ / УФ, Т0, R · \ / С = С ——————> С= С более устойчивая форма / \ / \ НООС СООН НООС Н малеиновая кислота фумаровая кислота Не может быть катализатора , осуществляющего обратный переход фумаровой кислоты в малеиновую. Обе кислоты восстанавливаются в янтарную кислоту., invivoэто происходит с фумаровой кислотой с участием молекулы ФАДН2 НООС- СН=СН - СООН + ФАДН2 —фермент—>НООС - СН2 –СН 2– СООН +ФАД фумаровая кислота янтарная кислота В ферментативных реакциях invivo присоединение воды к фумаровой кислоте ( гидратация) приводит к образованию одного определенного пространственного изомера яблочной кислоты ( D или L ) [ чтобы лучше понять материал, посмотрите снова лекцию « Изомерия» ] НООС- СН=СН - СООН + НОН — (фермент ) ———> НООС - СН –СН 2– СООН | ОН яблочная кислота ( в биохимии называют – малат) 5.8. Гидроксикислоты Содержат функциональную гидроксильную группу. В природе встречаются моно- , ди -, трикарбоновые кислоты, содержащие одну или несколько гидроксильных групп. 5.8.1. Моногидроксимонокарбоновые кислоты Содержат две функциональные группы - карбоксильную и гидроксильную ( первичную, вторичную, третичную) , которые определяют их химические свойства Химические свойства связаны с наличием двух функциональных групп ОН - R – CООН / \ образуют производные образуют производные с участием с участие гидроксильной карбоксильной группы ( спиртовой) группы - соли - простые эфиры - сложные эфиры - сложные эфиры - амиды - замещение на атом галогена - вступают в реакции - окисления ( образуется карбонильная групп) - дегидратации ( получается непредельная кислота) 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. СН 2– 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. энантиомеры-зеркальные изомеры СООН СООН СН3 - *СН - СООН | | | НО- С - Н Н- С - ОН ОН | | СН 3 СН 3 (+) L-лактат ( - )D –лактат Впервые открыта химиком Шееле в кислом молоке. D –лактат образуется в мышцах и других органах человека и животных в процессе анаэробного превращения глюкозы ( анаэробного гликолиза) Напоминаем, что физические свойства энантиомеров одинаковы( Т0 плавл. = 26 -280) Отличия только в знаке вращения плоскополяризованного луча. Обратите внимание, что в данном случае изомер L – ряда является правовращающим, а D – ряда – левовращающим. 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+ <—————> СН 3 -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 вреакциях цикла Кребса. Эта биологическая функция обозначается как «кетоновое тел». СН3 – СН –СН 2- СООН СООН | | ОН СН 2 3-гидроксибутановая кислота | L -3-гидроксибутановая кислота (ß-оксимасляная) НО –*С – Н ( β -гидроксимасляная ) | СН3 В биохимических реакциях invivo 2 превращения имеют важное значение для протекания обмена веществ : - реакция окисления ( образуется 3 –оксобутановая кислота) - реакция дегидратации ( образуется 2-бутеновая – кротоновая- кислота ) Окисление фермент СН3 – СН –СН 2- СООН + НАД + < —————> СН3 – С –СН 2- СООН + НАДН + Н+ | | | ОН О 3-оксобутановая кислота ( ацетоуксусная) Дегидратация 4 3 2 1 фермент СН3 – СН –СН 2- СООН <—————> СН3 – СН = СН - СООН + Н2О | более сильный ОН кислотный центр 2-бутеновая( кротоновая) кислота В таком же направлении проходит реакция invitro ( 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 ) кислота превращается в циклический сложный эфир - лактон ( бутиролактон) – внутримолекулярная реакция дегидратации. СН 2– СН2 –СН 2- СООН Н2 С —— СН2 | ————> | | + Н2 О  ОН Н2 С С = О бутиролактон О 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. СН 2– СН2 –СН 2- СООNa γ – гидроксибутират ( ГОМК – Na) | ОН |