Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
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. 5.8.2 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 invivo эта реакция происходит в процессе цикла Кребса. НООС-СН( ОН ) -СН2–СООН <——фермент ——> НООС-СН=СН-СООН + Н2 О фумаровая кислота транс-бутендиовая Обратимая реакция окисления сопровождается образованием кетокислоты : 2-оксобутандиовой( оксоянтарной, щавелевоуксусной ) НООС- СН-СН2-СООН + НАД + <——фермент ——> НООС-С –СН2 -СООН | | | ОН О щавелевоуксусная кислота ( ЩУК) Яблочную кислоту в медицине применяют в составе слабительных средств и препаратов от хрипоты. 5.8.3. Дигидроксидикарбоновые кислоты Дигидроксибутандиовые кислоты ( винная, виноградная) – известны три изомера :. D- винная, L- винная и мезовинная кислоты, все твердые кристаллические вещества, растворимые воде. СООН СООН СООН | | | Н- C - ОН НО- C -Н Н- C -ОН | | | НО- С - Н Н - С - ОН Н - С - ОН | | | CООН СООН СООН D - винная L- винная мезовинная D - винная и L- винная кислоты - энантиомеры, их называют виноградной кислотой; две пары : D - винная и мезовинная , L- винная и мезовинная – диастереомеры. Мезовинная кислота- оптически неактивна ввиду внутренней симметрии молекулы. D - винная кислота в виде кислой соли( винного камня) выделяется в осадок из красного виноградного вина. Изучая винные кислоты, в 1830г. И. Берцелиус ввел понятие изомерии, а в 1848 г. Л. Пастер разделил их на оптические антиподы. Соли винной кислоты называются тартраты. В медицине используется лекарство антимонила –натрия тартрат ( натрий винносурьмянокислый) для лечения цистозоматозов. Обладает сильным рвотным действием, известен под названием « рвотный» камень. Его состав (SbО) ООС-СНОН-СНОН-СООК Двойная соль винной кислоты калия - натрия тартрат КООС-СН(ОН)-СН(ОН)СООNа в аналитической химии используется для получения реактива Фелинга( проведение качественной реакции для обнаружения глюкозы и ряда других углеводов). В 17 в. аптекарь Сенье предложил использовать это соединение как слабительное средство (отсюда происхождение названия сегнетова соль). В 20 веке обнаружили особые физические свойства данной соли, которая положила начало исследованию веществ-сегнетоэлектриков, обладающих пьезоэффектом, которые применяются в радиотехнике, для создания генераторов переменной частоты, в том числе и в производстве медицинской аппаратуры. Сегнетова соль является оптически активным соединением, так как исчезает симметричное строение из-за присутствия двух разных катионов: натрия и калия. 5.8.4. Гидрокситрикарбоновая кислота - лимонная, изолимонная кислоты- производные трикарбалиловой 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). В реакциях invivo она образуется в реакции соединения( конденсации) АцетилКоА и щавелевоуксусной кислоты.    СООН| НООС – СН 2– С -СООН + Н - СН2 - СОSКоА ——> НООС-СН2-С-СН2 -СООН | | -НSКоА | О ОНОбразует 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 ( направление реакции соответствует правилам реакции А Е - электрофильного присоединения ) - Н2 О СООН + Н2 О СООН Лимонная кислота ——> | ——> | СН2 СН2 | | С- СООН С - СООН | | | С-Н ОН – С - Н | | СООН СООН цис- аконитовая кислота изолимонная кислота 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. 5.9. Oксокарбоновые кислоты( альдегидо -, кетокарбоновые кислоты) Содержат функциональную карбонильную группу >С=О. Гомологический ряд начинается с оксоэтановой кислоты С2 Н 2О 3 ( оксоуксусной, глиоксалевой) НООС –СНО . Содержит две функциональные группы – альдегидную и карбоксильную, обе группы обладают всеми типичными химическими свойствами усиливая реакционную способность друг друга( т.к. обе группы обладают акцепторными свойствами). Известна только в виде гидрата вследствие высокой активности карбонильной группы в реакции нуклеофильного присоединения А Nu ( вспомните образование хлоральгидрата). НООС –СНО + Н2 О ———> НООС - СН – ОН | ОН Обнаружена в клетках некоторых бактерий, грибов, растений, ее много в незрелых фруктах, по мере созревания ее содержание снижается. Находится в особых внутриклеточных образованиях глиоксисомах , где протекают реакции, приводящие к включению глиоксалевой кислоты в цикл Кребса. В организме животных и человека ее роль в обмене веществ не доказана, хотя в последнее время обнаружены некоторые процессы с ее участием Пировиноградная кислота( 2-оксопропановая ). Свое название получила от винной и виноградной кислот, из которых образуется при их разложении( перегонке). Пировиноградная кислоты( в биохимии принято сокращение ПВК) – жидкость, обладает резким запахом , смешивается с водой. Проявляет свойства карбоновой кислоты и оксосоединения, склонна к кето-енольной таутомерии, т.к. метильная группа представляет собой α – СН- кислотный центр, в котором находятся подвижные атомы водорода. СН3 –С –СООН / | | \ СН-кислотный О реакции карбоксильной группы центр ↓ -сложные эфиры свойства карбонильной группы - восстановление - реакции ANu Взаимное влияние двух акцепторных группировок : карбонильной и карбоксильной проявляется в реакции декарбоксилирования. Восстановление( гидрирование ) пировиноградной кислоты приводит к образованию молочной кислоты, реакция обратима. В условиях invitro образуется рацемическая смесь двух стереоизомеров, а в условиях invivo c участием фермента только один L( + )стереоизомер. фермент СН3 - С(О) –СООН + НАДН + Н + <————> СН –СН ( ОН ) – СООН + НАД+ пировиноградная кислота молочная кислота Реакция декарбоксилирования возможна invitro и invivo. СН3 - С(О) –СООН ————> СН3 – С НО + СО 2 уксусный альдегид Кето-енольная таутомерия пировиноградной кислоты изучена в теме «Изомерия». Напомним биологическую роль фосфоенолпирувата- макроэргической соединения, который образуется в процессе гликолиза. СН 2= С - СООН | ←макроэргическая связь ОРО3 Н2 Реакция карбоксилирования invivo с участием СН- кислотного центра( аналогична реакции карбоксилирования уксусной кислоты)  фермент СО 2 + СН3 - С(О) –СООН ————> НООС – СН2 –С (О ) -СООН щавелевоуксусная кислота Пировиноградная кислота образуется в клетках растений , животных и человека при обмене глюкозы в процессе гликолиза и из аминокислоты аланина и является одним из важнейших метаболитов, участвующих в обмене веществ. Из пировиноградной кислоты invivo вновь могут образоваться глюкоза и аминокислота аланин Ацетоуксусная кислота ( 3-оксобутановая, ß – кетомасляная ), сироп, смешивается с водой в любых отношениях.. Все ß – кетокислоты чрезвычайно неустойчивы и легко декарбоксилируются при малейшем нагревании, а invivo - при снижении рН крови( повышении кислотности среды). При этом образуется нейротоксичное соединение- ацетон. Ацетоуксусную кислоту в биохимии относят к « кетоновым телам», которые образуются при нарушении обмена глюкозы( инсулинзависимом сахарном диабете, голодании). СН3 – С – СН 2 – СООН СН3 – С – СН 3 + СО 2 | | ———> | | О О NB! Два биоактивных соединения в норме образуют кетоновые тела : 3-гидроксибутановая кислота( ß -гидроксимасляная), 3- оксобутановая( ацетоуксусная). Третье кетоновое тело ацетон свидетельствует о развитии патологических процессов. Щавелевоуксусная кислота ( оксобутандиовая, оксоянтарная, ЩУК) Получила свое название в связи с тем, что ее скелет можно условно разделить на две части ( фрагменты щавелевой и уксусной кислот) СН- кислотный центр НООС – С - СН2 -СООН фрагмент щавелевой | | фрагмент уксусной кислоты О кислоты Существует в кетоновой и енольной формах. Енольные формы - кристаллические вещества, более устойчивы, существуют в виде двух изомеров : цис- и транс. В растворе в интервале значений рН 6-10 образуется дианион( диссоциация по обеим группам), который на 82-88% находится в оксо-форме, на 7-10% в енольной форме Строение енольной формы Пространственные изомеры енольной формы НООС – С = СН—СООН | НО- С - СООН НО - С - СООН ОН | | | | НООС — С -Н Н- С – СООН (1) (2) транс-гидроксифумаровая цис-гидроксималеиновая кислота кислота Восстановление ЩУК приводит к образованию яблочной( 2-гидроксибутандиовой , гидроксиянтарной кислоты.). При декарбоксилировании ЩУК образуется пировиноградная кислота. Максимальная скорость реакции при рН=5,0 - 6,5. α–Кетоглутаровая( 2-оксопентандиовая) –природное кристаллическое вещество, растворимое в воде образуется в цикле Кребса и из глутаминовой аминокислоты. Возможна кето - енольная таутомерия . НООС- СН2-СН2-С –СООН <———> НООС- СН2- СН=С-СООН | | | О ОН Характерная реакция декарбоксилирования invivoи invitro, образуется полуянтарный альдегид, который в цикле Кребса сразу ферментативно окисляется в янтарную кислоту. Напоминаем, что реакция декарбоксилирования invitro возможна только для α- и ß- кетокислот ( но не гидроксикислот или енольной формы). декарбоксилирование и окисление НООС-СН2- СН2 -С( О)-СООН ———>НООС –СН2 –СН2-СООН + СО2 янтарная кислота Значение величин рКа биологически активных кислот цикла Кребса, гликолиза ( для многокарбоновых кислот указано значение для ионизации первой карбоксильной группы) Таблица 2.
5.10 Приложение : Происхождение названий карбоновых кислот Сn Н2n О2
Для проверки усвоения темы рекомендуем выполнить задания:
Цикл Кребса – особая циклическая последовательность превращений трикарбоновых ( лимонной , цис-аконитовой , изолимонной ) и дикарбоновых кислот( янтарной, фумаровой, яблочной, щавелевоуксусной ), в процессе которой создаются условия для синтеза универсального макроэргического соединения АТФ. Цикл начинается с взаимодействия щавелевоуксусной кислоты с активной формой уксусной кислоты АцКоА и заканчивается вновь образованием щавелевоуксусной кислоты. Запишите структурные формулы кислот в последовательности реакций цикла Кребса и назовите тип химических реакций ( 2, 3, 6, 7, 8 ) Щавелевоуксусная кислота + ацетилКоА (1) —> Лимонная кислота ( цитрат) (2) —> цис- аконитовая (3)——> изолимонная (4) ——> а – кетоглутаровая (5)——> янтарная (6) ——> фумаровая (7) ——> яблочная (8)——> щавелевоуксусная кислота
- янтарная и яблочная - уксусная и гликолевая - пропановая и малоновая - молочная и пропановая - молочная и пировиноградная - акриловая и кротоновая 4. Какая из образующихся в цикле Кребса дикарбоновых кислот является самой сильной по первой ступени диссоциации ? ( для сравнения внимательно изучите структурные формулы и составьте диаграммы распределения электронной плотности в молекулах. Сравните полученные результаты с таблицами 1, 2. 5. Составьте последовательность реакций . Молочная кислота( лактат) ——> пировиноградная кислота ——> уксусный альдегид ——> этанол. Какая из стадий относится к реакции восстановления? Какая сложная биоорганическая молекула участвует в реакциях гидрирования в биохимических реакциях ? 6. Попробуйте сами составить последовательность реакций для превращения - щавелевоуксусной кислоты в янтарную - молочной кислоты в уксусную и далее в уксусноэтиловый эфир. |