Карбонильные соединения в химии — формулы и определения с примерами решения задач

Лимитирующей стадией реакции является атака цианид-ионами карбонильного соединения. Синильная кислота является очень слабым электролитом, щелочь необходима для образования хорошей нуклеофильной частицы – цианид-иона CN^—. Цианид-ион присоединяется к кетону с образованием алкоксид-аниона:

Процесс завершается взаимодействием алкоксид-аниона с молекулой HCN при проведении реакции в жидкой HCN, или завершается взаимодействием алкоксид-аниона с молекулой воды, если реакция проводится в водном растворе. Получаемые a-оксинитрилы можно использовать для получения a-гидроксикислот.

Реакции присоединения гидрид-ионов (реакции восстановления)

Взаимодействие карбонильных соединений с гидридами металлов (КН, NaH, СаН₂ и др.) и комплексными гидридами (NaBH₄, LiAlH₄ и др.) протекает в два этапа. На первом идет нуклеофильное присоединение гидрид-иона, приводящее к образованию алкоголята, на втором – гидролиз алкоголята с образованием спирта и гидроксида металла.

Из альдегидов образуются первичные спирты, из кетонов – вторичные.

Реакции альдольной конденсации

Альдегиды и кетоны, имеющие в a-положении водородные атомы (С-Н кислотный центр), реагируя с основаниями, образуют стабилизированные карбанионы, способные атаковать атом углерода оксогруппы другой молекулы, что, в конечном счете, приводит к образованию альдоля. Уравнение реакции имеет следующий вид:

Механизм конденсации:

Альдегиды, не имеющие С-Н кислотного центра в a-положении, в реакцию альдольной конденсации не вступают. В этих условиях (щелочной катализ) они подвергаются диспропорционированию – реакция Канниццаро — Тищенко:

Гидроксид-ион при взаимодействии с субстратами, не имеющими кислотного центра, выступает не как основание, а как нуклеофил, который присоединяется к атому углерода карбонильной группы, в результате чего образуется алкоксид-анион. В анионе атом кислорода, несущий отрицательный заряд, выступает как сильный электронодонорный заместитель, смещающий от себя электронную плотность s-связи СО^—, что приводит к увеличению электронной плотности и на атоме водорода, на нем в итоге возникает частичный отрицательный заряд. Этот атом водорода выступает в дальнейшем как нуклеофил – атакует атом углерода карбонильной группы другой молекулы альдегида. В возникающем переходном состоянии одновременно разрываются и образуются 2 s-связи и 2p-связи: в анионе образуется p-связь углерод-кислород и разрывается s-связь углерод-водород, в альдегиде – разрывается p-связь углерод-кислород и образуется s-связь водород-углерод. Анион превращается в карбоновую кислоту (оксиляется), а альдегид – в алкоголят-анион (восстанавливается). На последнем этапе идет кислотно-основное взаимодействие, результатом которого является образование спирта и карбоксилат-аниона (соли карбоновой кислоты):

Окислительно-восстановительные процессы часто сопровождают протекание многих химических реакций, таких как реакции соединения, разложения, замещения, отщепления с участием неорганических и органических соединений. Внимание к окислительно-воссстановительным процессам объясняется тем, что зачастую они сопровождаются значительными тепловыми эффектами, что представляет несомненный интерес как для их промышленного использования, так и для понимания энергетических процессов, протекающих в клетке.

Необходимо отметить, что между процессами окисления и восстановления в неорганической и органической химии есть различия. Так, в неорганической химии под окислением понимают отдачу одного или нескольких электронов атомом, молекулой или ионом, под восстановлением понимают присоединение одного или нескольких электронов атомом, молекулой или ионом. В органической химии окислениемназывают процесс удаления атома водорода с образованием кратной связи или новой связи между атомом углерода и гетероатомом, более электроотрицательным, чем водород; восстановлением называют процесс образования новых связей с атомами водорода.

Примеры реакций восстановления:

В этих случаях молекулы органических веществ восстанавливаются, принимая два атома водорода. Восстановление имеет место и в случае, когда молекула принимает гидрид-ион Н^—и катион водорода Н (2Н× = Н^— Н = 2е^— 2Н ):

Процесс окисления органических молекул сопровождается отдачей двух электронов с образованием связи с двумя более электроотрицательными атомами:

Окисляясь, органическая молекула может терять элетрон и атом водорода (электрон и атом Н эквивалентны гидрид-иону Н^—) в результате образования связи с более электроотрицательным атомом:

Процесс дегидрирования органической молекулы приводит к ее окислению, в результате молекула теряет два атома водорода (или гидрид-ион Н^—икатион Н , или 2е^— и 2Н ) и образуется кратная связь:

Процессы окисления и восстановления в организме происходят с участием различных коферментов, которые, выступая в качестве окислителей, ведут себя как акцепторы гидрид-иона (НАД ) или пары атомов водорода (ФАД), восстановленные формы этих коферментов в ОВР выступают как доноры гидрид-иона или молекулы водорода:

Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот и их производных

Карбоновые кислоты и их функциональные производные (галогенангидриды, ангидриды, сложные эфиры, тиоэфиры, амиды, соли) также содержат в своем составе карбонильную группу, однако для них характерны реакции нуклеофильного замещения, а не присоединения. Такой результат взаимодействия этих субстратов с нуклеофилами обусловлен их электронным строением.

Величина положительного заряда, возникающего на атоме углерода оксогруппы, увеличивается с усилением электроноакцепторного характера заместителя (d возрастает с усилением отрицательного индуктивного эффекта по сравнению с положительным мезомерным эффектом). Отличием приведенных выше соединений от альдегидов и кетонов является то, что 2 электрона p-связи углерод-кислород участвуют в сопряжении с неподеленной парой р-электронов гетероатома (атомов галогена, серы, кислорода или азота), что приводит к повышению стабильности соединений. Нуклеофильное присоединение к карбонильной группе этих соединений приводило бы к изменению гибридизации атомных орбиталей углерода с sp² на sр³ и разрушению системы сопряжения, уменьшению стабильности молекулы. Для сохранения сопряженной системы в реакциях с нуклеофилами после присоединения нуклеофильной частицы происходит отщепление уходящей группы и регенерация сопряжения. В итоге нуклеофильная частица оказывается связанной с ацильной группой – R-C=O, поэтому реакции производных карбоновых кислот называют реакциями ацилирования. Общая схема нуклеофильного замещения имеет вид:

Реакционная способность соединений зависит от величины эффективного положительного заряда на атоме углерода карбонильной группы и от способности к отщеплению уходящей группы Z. В приведенном выше ряду функциональных производных карбоновых кислот справа налево (от солей к галогенангидридам) увеличивается положительный заряд на атоме углерода и увеличивается стабильность уходящей группы, т.е. способность к отщеплению. Реакции ацилирования с участием галогенангидридов карбоновых кислот идут практически необратимо, для связывания кислоты реакцию проводят в присутствии аминов – пиридина или триэтиламина. Уравнение реакции имеет вид:

Механизм реакции:

Ангидриды карбоновых кислот несколько менее реакционно способны в реакциях ацилирования вследствие меньшего положительного заряда на атомах углерода карбонильных групп. Меньший положительный заряд в сравнении с галогенангидридами возникает из-за того, что атом кислорода проявляет отрицательный индуктивный эффект по отношению к обеим карбонильным группам. При ацилировании спиртов ангидридами кислот, как и при ацилировании с помощью галогенангидридов, выделяющуюся кислоту связывают добавлением органических оснований.

Механизм реакции:

Ацилирование аминов проводят в избытке амина:

Механизм реакции аналогичен ацилированию спиртов.

Карбоновые кислоты и сложные эфиры карбоновых кислот являются существенно менее реакционноспособными ацилирующими агентами. Снижение реакционной способности обусловлено снижением эффективного положительного заряда на атоме углерода карбонильной группы из-за усиления электронодонорных свойств гидроксильной группы ОН у кислот или алкоксигруппы ОR у сложных эфиров в сравнении с ацильной группой или атомом галогена. Карбоновые кислоты, кроме электрофильного центра, имеют и другие реакционные центры:

В отличие от альдегидов и кетонов, карбоновые кислоты имеют О-Н кислотный центр, за счет которого проявляют сравнительно сильные кислотные свойства. Сила карбоновых кислот зависит от величины эффективного положительного заряда на атоме углерода карбоксильной группы. Чем больше величина этого заряда, тем сильнее пара электронов атома кислорода гидроксильной группы вовлечена в р,p-сопряжение, тем сильнее поляризована связь и ослаблена связь О-Н, тем легче идет ее разрыв с образованием мезомерно стабилизированного карбоксилат-аниона:

Именно из-за стабильности карбоксилат-анионов и легкости их образования карбоновые кислоты проявляют более сильные кислотные свойства, чем фенолы, тиолы и спирты. Величина эффективного заряда на атоме углерода карбоксильной группы и кислотные свойства зависят от характера радикала, связанного с карбоксильной группой: электроноакцепторные заместители усиливают кислотные свойства соединений, электронодонорные – ослабляют.

Реакционная способность карбоновых кислот в реакциях нуклеофильного замещения в сравнении с галогенангидридами, ангидридами, тиоэфирами понижена вследствие электронодонорных свойств ОН-группы, уменьшающей электрофильность атома углерода. Для увеличения электрофильности (эффективного положительного заряда) необходимо использовать кислотный катализ. Реакции этерификации карбоновых кислот и гидролиза сложных эфиров протекают в присутствии сильных минеральных кислот как катализаторов. В качестве катализатора часто используют серную кислоту.

Механизм реакции:

Присоединение протона к основному центру кислоты приводит к образованию карбкатиона — реакционноспособной электрофильной частицы, которая легко подвергается атаке нуклеофилом – молекулой спирта. Образовавшийся оксониевый катион, отщепляя воду, превращается в карбкатион, который регенерирует сопряженную систему путем отщепления протона, что приводит к образованию сложного эфира и возврату катализатора. Ионы водорода катализируют и прямую, и обратную реакции, равновесие реакции можно смещать, используя принцип Ле-Шателье.

Гидролиз сложных эфиров, катализируемый основаниями, протекает необратимо.

Механизм реакции:

При щелочном гидролизе в результате присоединения нуклеофила – гидроксид-аниона – образуется оксониевый анион, который за счет одновременного образования p-связи углерод-кислород и разрыва s-связи кислород-углерод дает карбоновую кислоту и алкоголят-анион. Алкоголят-анион, являющийся сильным основанием, легко отщепляет протон от молекулы кислоты, в результате образуется молекула спирта и стабильный карбоксилат-анион.

В биологических объектах в качестве ацилирующих агентов выступают тиоэфиры и смешанные ангидриды кислот. Ацетилфосфат и родственные ему соединения образуются при расщеплении АТФ под действием карбоксилат-ионов. Ацетилкофермент А образуется в результате ферментативного расщепления замещенных ацетилфосфатов под действием кофермента А.

Название липиды произошло от греческого слова lipos – жир. Под термином липиды объединяют большую и разнородную группу веществ – жиры и жироподобные вещества, являющиеся органическими соединениями растительного и животного происхождения, различающиеся по составу, но близкие по физико-химическим свойствам. Липиды не растворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как диэтиловый эфир, бензол, петролейный эфир и др. В живых организмах липиды выполняют следующие функции:

— липиды являются структурными компонентами биологических мембран, обеспечивают их полупроницаемость;

— липиды – форма, в которой организм запасает энергию;

— липопротеиды – транспортная форма липидов, в которой транспортируется запасенная энергия;

— липиды – растворители жирорастворимых витаминов;

— липиды выполняют терморегуляторную функцию;

— липиды образуют защитный слой на клеточных стенках бактерий, листьях высших растений, на коже позвоночных, выполняя т.о. защитную функцию.

Классификация липидов представлена на схеме:

По отношению к гидролизу липиды делят на омыляемые и неомыляемые. К омыляемым липидам относятся вещества, которые гидролизуются водными растворами щелочей (подвергаются омылению). В химическом плане омыляемые липиды являются сложными эфирами. Простые липиды являются двухкомпонентными, так как при щелочном гидролизе образуются два класса органических соединений – спирт и соль карбоновой кислоты. Три и более продукта, относящиеся к разным классам органических веществ, образуются при гидролизе сложных липидов. Таким образом, сложные липиды состоят из трех и более компонентов. Неомыляемые липиды не подвергаются гидролизу и относятся к однокомпонентным соединениям.

Воски представляют собой сложные эфиры, образованные высшими насыщенными жирными кислотами и высшими насыщенными спиртами:

Воски – исторически сложившееся название разных по составу и происхождению продуктов, преимущественно природных, которые по свойствам близки пчелиному воску. Природные воски представляют собой пластичные легко размягчающиеся при нагревании продукты, большинство из которых имеет температуру плавления в интервале 40-90°С. Большинство природных восков содержит сложные эфиры одноосновных насыщенных кислот нормального строения и спиртов с 12-46 атомами углерода в молекуле. Такие воски по химическим свойствам близки к жирам, но омыляются только в щелочной среде.

Жиры – это вещества животного, растительного и микробного происхождения, состоящие в основном (до 98%) из триглицеридов (триацилглицеринов) – полных эфиров глицерина и жирных кислот. В составе жиров содержатся также ди- и моноглицериды (1-3%), фосфолипиды, гликолипиды (0,5-3%), свободные жирные кислоты, стерины и их эфиры (0,05-1,7%), красящие вещества (каротин, ксантофил), витамины А, D, Е и К, полифенолы и их эфиры. Жиры, как и воски, являются двухкомпонентными системами:

Химические и биологические свойства жира определяются входящими в его состав триацилглицеринами и в первую очередь длиной цепи, степенью ненасыщенности остатков жирных кислот и их расположением в триглицериде. В состав жиров входят в основном неразветвленные углеводородные радикалы жирных кислот, содержащие четное число атомов углерода (от 4 до 26), как насыщенные, так и моно- и полиненасыщенные. Наиболее часто в составе жиров встречаются миристиновая, пальмитиновая и стеариновая кислоты – представители насыщенных одноосновных карбоновых кислот, и олеиновая, линолевая, линоленовая – представители ненасыщенных одноосновных карбоновых кислот.

Почти все ненасыщенные кислоты, входящие в состав жиров растительного происхождения, и большинство ненасыщенных кислот, входящих в состав жиров животного происхождения, являются цис-изомерами. Жидкие смешанные триацилглицерины растительного происхождения называют маслами (оливковое, льняное, конопляное и т.д.).

Химические свойства триацилглицеринов

Триацилглицерины, как сложные эфиры, подвергаются гидролизу в щелочной (необратимый) и кислой (обратимый) средах. В организме гидролиз происходит под действием ферментов, называемых липазами, которые активируются желчными кислотами.

Триацилглицерины, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот, могут вступать в реакции присоединения и окисления по двойным связям, как алкены. При гидрогенизации растительных масел получают твердый продукт, называемый саломас, и используемый для изготовления маргарина.

Степень ненасыщенности триацилглицеринов характеризуется йодным числом, которое показывает максимальную массу йода, которая может присоединиться к 100 г жира.

Чем больше значение йодного числа, тем выше степень ненасыщенности триацилглицерина. Ненасыщенные триацилглицерины подвергаются окислению кислородом воздуха, этот процесс сопровождается гидролизом сложноэфирных связей. Окисление двойных связей, сопровождаемое гидролизом, является составной частью процесса прогоркания жиров. Остатки ненасыщенных кислот, входящие в состав липидов, и сами ненасыщенные кислоты окисляются под действием водного раствора перманганата калия с образованием диольных фрагментов по месту двойных связей, окисление в жестких условиях приводит к разрыву двойных связей и образованию карбоновых кислот с меньшим числом атомов углерода.

Фосфолипиды представляют собой, также как и жиры, сложные эфиры глицерина. В отличие от триацилглицеринов, третья спиртовая группа глицерина связана не с карбоновой кислотой, а с фосфорной. Другая особенность фосфолипидов состоит в том, что остаток фосфорной кислоты связан сложноэфирной связью с аминоспиртом. Фосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, которая образуется в результате этерификации двух ОН групп глицерина жирными карбоновыми кислотами, а третья ОН группа глицерина этерифицируется фосфорной кислотой.

В зависимости от того, какой аминоспирт образует сложный эфир с фосфатидной кислотой, различают фосфатидилколамины (коламинкефалины), фосфатидилсерины (серинкефалины), фосфатидилхолины (лецитины).

В условиях организма третья гидроксильная группа фосфорной кислоты ионизирована, как и другие ионогенные группы.

Фосфолипиды являются бифильными веществами, так как содержат в своей структуре неполярные углеводородные радикалы карбоновых кислот (гидрофобная часть) и полярный ионизированный фрагмент, образованный аминоспиртом и фосфорной кислотой (гидрофильная часть), который в формулах выделен жирным шрифтом. Благодаря бифильности, фосфолипиды частично растворимы в воде и способны транспортироваться кровью из печени в органы и ткани, где формируют структуру клеточных мембран.

Как сложные эфиры, фосфолипиды подвергаются гидролизу в кислой или щелочной средах:

Сфинголипиды, – какпредставители сложных липидов, — представляют собой многокомпонентные соединения. Они являются сложными эфиры двухатомного аминоспирта сфингозина с высшими насыщенными и ненасыщенными кислотами и фосфорной кислотой, которая, в свою очередь, образует также сложноэфирную связь с аминоспиртом.

В нервных тканях обнаружены производные сфингозина – сфингомиелины. При гидролизе сфингомиелины образуют одну молекулу жирной кислоты, одну молекулу сфингозина, одну молекулу азотистого основания (чаще это холин) имолекулу фосфорной кислоты. Именно поэтому сфингомиелины относятся к классу фосфолипидов.

Сфингомиелины являются наиболее распространенными сфинголипидами. Они в основном находятся в мембранах животных и растительных клеток. Особенно богата ими нервная ткань; сфингомиелины обнаружены также в ткани почек, печени и других органов.

Гликолипиды – многокомпонентные соединения, являющиеся производными сфингозина, не содержащими фосфорной кислоты и холина, но содержащие в своем составе углеводный фрагмент. Аминогруппа сфингозина ацилирована высшей жирной кислотой, а гидроксильная группа у первого атома углерода сфингозина связана с остатком углевода (моносахарида или олигосахарида).

Гликолипиды играют существенную роль в функционировании биологических мембран. Они содержатся преимущественно в ткани мозга, но имеются также в кровяных клетках и других тканях. Известны три основные группы гликолипидов: цереброзиды, ганглиозиды и сульфатиды. В состав цереброзидов входят гексоза (обычно D-галактоза), которая связана гликозидной связью со сфингозином. Кроме того, в состав цереброзида входит жирная кислота, имеющая 24 углеродных атома. Сульфатиды отличаются от цереброзидов тем, что содержат в молекуле остаток серной кислоты, т.е. представляют собой цереброзид, в котором у третьего углеродного атома гексозы образуется сложноэфирная связь с серной кислотой. В мозге млекопитающих сульфатиды, как и цереброзиды, находятся в белом веществе. Однако их содержание в мозге намного ниже, чем цереброзидов. Ганглиозиды в структурном отношении сходны с цереброзидами с той лишь разницей, что вместо одного остатка галактозы они содержат сложный олигосахарид. В отличие от цереброзидов и сульфатидов, ганглиозиды находятся преимущественно в сером веществе мозга и сосредоточены в плазматических мембранах нервных и глиальных клеток.

Фосфолипиды, являясь бифильными веществами, выступают как эмульгаторы на границе раздела фаз. Как и мыла, молекулы фосфолипидов в контакте с водой стремятся расположиться так, чтобы неполярные углеводородные цепи находились в контакте только с другими аналогичными цепями. Таким образом формируется двойной слой толщиной в две молекулы. Такие липидные бислои, содержащие включения мембранных белков, составляют основу клеточных мембран.

Гидрофобные участки мембранных белков размещаются во внутренней полости мембраны, а ионизированные остатки аминокислот находятся на ее поверхности. Вода может проходить через такой двойной слой, а большие полярные молекулы и ионы не проходят. Таким образом, мембраны сохраняют концентрационные различия между различными частями клетки или между клеткой и ее водным окружением. Тонкие различия в физических свойствах клеточных мембран контролируются степенью ненасыщенности остатков жирных кислот в молекулах фосфолипидов. Мембраны, состоящие из ненасыщенных фосфолипидов, являются более мягкими (низкие температуры плавления) и позволяют молекулам проходить через них быстрее, чем через аналогичные мембраны, построенные из сложных эфиров насыщенных кислот. Чтобы полярные вещества и ионы могли пройти через внутреннюю полость мембраны, необходимо участие в этом процессе мембранных белков.

Наряду с процессами нормальной жизнедеятельности в клетке происходят процессы, связанные с нарушением тех или иных функций отдельных ее частей. Одним из процессов «мембранной патологии» является повреждение клеточных мембран, возникающее при воздействии ионизирующих излучений, авитаминозах, отравлениях.

Основной причиной повреждения клеточных мембран является пероксидное (перекисное) окисление липидов, инициируемое свободными радикалами. Свободные радикалы в организме образуются при окислении ионов Fe² кислородом или гидропероксидами:

Fe² O₂ H ® Fe³ H-O-O^×

Fe² R-O-O-H ® Fe³ HO^— R-O^×

Свободные радикалы возникают и в результате воздействия на клетку ионизирующих излучений. В такой сложной среде, как живая материя, молекулы, являющиеся наиболее распространенными, больше других подвергаются воздействию ионизирующих излучений. При облучении живой материи, на 70-90% состоящей из воды, большая часть энергии излучения будет поглощаться молекулами воды. Рентгеновские лучи, g-излучение, нейтроны сами по себе не вызывают ионизации. Ионизация производится почти исключительно быстрыми заряженными частицами. Рентгеновские лучи, g-излучение, нейтроны называются «ионизирующими» потому, что при прохождении через вещество они вызывают образование быстрых заряженных частиц. Таким образом, особенности воздействия этих излучений связаны с их вторичным действием. В результате действия ионизирующего излучения в воде появляются первичные продукты радиолиза воды – возбужденные молекулы воды, электроны и катион-радикалы Н₂О :

Н₂О ® Н₂Ó е^—

Н₂О ® Н₂О*

Возбужденные молекулы воды дезактивируются соседними молекулами, однако часть из них распадается на атомы водорода и гидроксильный радикал, или на атом кислорода и молекулу водорода. Образовавшиеся электроны «тормозятся» кулоновским полем «материнских» положительных зарядов, сольватируются и превращаются в частицы радикального характера – гидратированные электроны е^— ×Н₂О:

Н₂О* ® Н× ×ОН Н₂О* ® Н₂ О

Н₂О е^— ® е^—×Н₂О или Н₂О^—

Н₂О Н₂О ® Н₃О ×ОН

Гидратированные электроны и катион-радикалы воды являются неустойчивыми частицами и далее подвергаются диссоциации с образованием свободного радикала и иона:

е^— ×Н₂О или H₂О^— ® Н× ОН^—

Н₂Ó ® Н ×ОН

Образовавшиеся продукты могут реагировать друг с другом или с молекулами воды:

Н× ×Н ® Н₂ Н₂О Н× ® Н₂ ×ОН

Н× ×ОН ® Н₂О Н₂О₂ ×ОН ® Н₂О НÓ₂

НО× ×ОН ® Н₂О₂ Н₃О ОН^— ® 2Н₂О

При радиолизе воды пероксидные радикалы исчезают в результате рекомбинации: НÓ₂ НÓ₂ ® Н₂О₂ О₂.

В результате протекания указанных реакций в результате радиолиза воды образуются е^— × Н₂О, ×ОН, Н×, О, Н₂О₂, Н₃О и ОН^—. Радиационно-химический выход О весьма низок, вследствие чего его образованием при радиолизе воды можно пренебречь. Гидратированный электрон, радикалы Н× и ×ОН называют свободно-радикальными продуктами радиолиза воды, а Н₂, О₂, Н₂О₂ – молекулярными продуктами.

Гидроксильный радикал является эффективным окислителем, в реакциях с насыщенными органическими соединениями он реагирует, как правило, отщепляя атом водорода, с ненасыщенными – может присоединяться по двойной связи. В реакциях с ионами металлов переменной валентности гидроксильный радикал выступает как окислитель: Fe² ×ОН ® Fe³ :ОН^— ; Сr² ×ОН ® Cr³ :ОН^—

Процесс пероксидного окисления липидов можно разделить на три этапа:

I-й этап – инициирование. На этом этапе образуются свободные радикалы, которые атакуют атомы Н метиленовых групп СН₂, находящихся в a-положении по отношению к двойной связи. В результате образуются свободные радикалы аллильного типа, стабилизированные р,p-сопряжением.

II-й этап – рост цепи. На этом этапе происходит взаимодействие аллильных радикалов с молекулами кислорода. В результате такого взаимодействия образуются пероксидные радикалы, которые, взаимодействуя с водой или другими водородсодержащими соединениями (RH), отщепляют от них атомы Н. При этом пероксидные радикалы превращаются в неустойчивые гидропероксиды, а из воды или водородсодержащих молекул образуются свободные радикалы (НО^× или R^×). Образующиеся радикалы (НО^× или R^×) далее участвуют в реакциях образования аллильных радикалов, т.е поддерживают первый этап реакции – инициирование.

III-й этап – разрыв связей углерод-углерод, находящихся в a-положении по отношению к двойной связи гидропероксидов, в результате чего образуются енолы и альдегиды, которые окисляются далее до соответствующих кислот.

Молекулу фосфолипида, содержащую остаток непредельной кислоты (в данном случае олеиновой), представим как сложный эфир следующим образом:

Тогда механизм пероксидного окисления липидов можно представить следующим образом:

Инициирование:

Рост цепи:

Разрыв углеродных связей:

Глубина пероксидного окисления липидов зависит в первую очередь от состава липидов: с увеличением степени ненасыщенности жирных кислот, входящих в состав липидов, скорость окисления возрастает. Пероксидное окисление липидов приводит к повреждению клеточных мембран, структурными элементами которых являются липиды. Антиоксидантами по отношению к ненасыщеным липидам являются витамины группы Е – токоферолы, которые ингибируют процесс пероксидного окисления. Антиокислительная функция токоферолов определяется наличием подвижного атома Н и способностью реагировать с активными радикалами с образованием малоактивных радикалов, стабилизированных р,p-сопряжением.

Поли- и гетерофункциональные соединения. Биологически активные гетероциклические соединения. Таутомерия

Соединения, содержащие одну функциональную группу, называют монофункциональными, соединения с несколькими одинаковыми функциональными группами – полифункциональными, соединения с разными функциональными группами – гетерофункциональными. Большинство органических молекул, участвующих в процессах жизнедеятельности и являющихся родоначальниками различных групп лекарственных препаратов, относятся к поли- и гетерофункциональным соединениям.

К наиболее распространенным представителям полифункциональных соединений относятся многоатомные спирты, фенолы, многоосновные карбоновые кислоты, диамины.

Многоатомные спирты представляют собой бесцветные, вязкие жидкости, сладкие на вкус (этиленгликоль –яд), неограниченно растворимые в воде (этиленгликоль, глицерин) или бесцветные сладкие кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (ксилит, сорбит, маннит и др.). Наличие в молекулах этих соединений нескольких гидроксильных групп обусловливает проявление ими типичных химических свойств одноатомных спиртов. В реакции эти соединения в зависимости от условий вступают одной или всеми гидроксильными группами. В то же время наличие в одной молекуле нескольких электроноакцепторных групп ОН приводит к усилению кислотных свойств этих соединений:

Качественной реакцией на многоатомные спирты является взаимодействие со свежеполученным гидроксидом меди(II), приводящее к образованию внутрикомплексных солей, имеющих интенсивный синий цвет.

Этиленгликоль используется для изготовления антифризов, для получения полимеров, глицерин – для получения взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, полимеров, как компонент смазок, кремов, парфюмерных и косметических препаратов, медицинских мазей, как мягчитель для тканей, кожи, бумаги.

Ксилит, сорбит получают восстановлением моносахаридов:

Ксилит, сорбит обладают желчегонным и послабляющим действием, организмом человека не усваиваются. Применяются вместо сахара в производстве кондитерских изделий для больных диабетом и ожирением.

Многоатомные фенолы – пирокатехин, резорцин, гидрохинон, пирогаллол входят в состав многих природных соединений. Эти соединения широко используются для получения лекарственных препаратов, взрывчатых веществ, красителей, как аналитические реагенты, как восстановители в фотографии.

Многоатомные фенолы, подобно фенолу, являются слабыми ОН-кислотами, имеющими несколько констант диссоциации. Для них, как и для фенола, характерна реакция с FeCl₃, приводящая к образованию окрашенных продуктов: пирокатехин дает зеленую окраску, резорцин – темно-фиолетовую, гидрохинон – черно-фиолетовую. Как и фенол, многоатомные фенолы легко вступают в реакции электрофильного замещения – подвергаются галогенированию, нитрованию, ацилированию. На воздухе легко окисляются, особенно легко происходит окисление пирокатехина и гидрохинона с образованием, соответственно, 1,2-бензохинона и 1,4-бензохинона.

Хиноны содержат своеобразную систему сопряженных связей, называемую хиноидной группировкой. Она состоит из двух двойных связей в цикле и двух карбонильных групп. Соединения, содержащие хиноидную группировку, широко распространены в природе и могут выступать в качестве стимуляторов роста, антибиотиков, участвовать в окислительно-восстановительных процессах, сопровождающих дыхание.

Окислительно-восстановительные свойства системы хинон-гидрохинон играют важную роль в организме. По отношению к большинству органических субстратов эта система выполняет роль окислителя:

Принимая электроны от субстрата, замещенный хинон in vivo (в организме) превращается в соответствующий гидрохинон, который, в свою очередь, передавая электроны (через цитохромную систему) кислороду, обратно превращается в хинон.

Дикарбоновые кислоты – органические соединения, содержащие две карбоксильные группы. Дикарбоновые кислоты представляют собой кристаллические вещества, растворимые в воде. Первая константа диссоциации дикарбоновых кислот выше, чем у соответствующих монокарбоновых кислот, что особенно заметно у низших гомологов. Дикарбоновые кислоты проявляют все свойства монокарбоновых кислот, образуя как моно-, так и дипроизводные. При достаточной удаленности карбоксильных групп молекулы дикарбоновых кислот могут подвергаться дегидратации с образованием циклических ангидридов. Особенно легко этот процесс идет, если образуется стабильный пяти- или шестичленный цикл:

Диамины – органические соединения, содержащие в молекуле две аминогруппы. В природе чаще всего встречаются пента- и тетраметилендиамины Н₂N(CH₂)_nNH₂, где n = 5 и 4, содержащиеся в продуктах гнилостного распада белков – соответственно, кадаверин и путресцин. Эти диамины образуются при ферментативном декарбоксилировании ,соответственно, лизина и орнитина:

Кадаверин найден в спорынье, мухоморе, сыре, пивных дрожжах. Путресцин используется как исходное соединение для синтеза физиологически активных полиаминов – спермидина и спермина.

Аминоспирты классифицируют по расположению аминогруппы относительно гидроксильной группы:

a-Аминоспирты. Молекулы этих соединений содержат амино- и гидроксильную группу у одного и того же атома углерода. Такие соединения обычно очень неустойчивы и стабилизируются путем отщепления воды либо аммиака:

b-Аминоспирты. В молекулах этих веществ аминогруппа и гидроксильная группа содержатся у соседних атомов углерода:

g-Аминоспирты. В молекулах этих соединений атомы углерода, связанные с аминогруппой и гидроксильной группой, разделены одним атомом углерода:

Наибольшее биологическое значение имеют b-аминоспирты – коламин и холин. Они и их производные являются структурными компонентами многочисленных биологически активных соединений: фосфолипидов, биогенных аминов, лекарственных препаратов.

Коламин может быть легко синтезирован из этиленоксида или этиленимина:

В организме коламин образуется в результате декарбоксилирования серина:

Холин-основание можно синтезировать из этиленоксида, действуя на него триметиламином или из коламина путем алкилирования галогеналканами:

Холин физиологически активен и играет в организме человека и животных важную роль. Он понижает кровяное давление, участвует в регуляции жирового обмена, транспорте жиров, в метаболизме углеводов и белков.

Важную биологическую роль играет ацетилхолин (сложный эфир холина и уксусной кислоты), являющийся нейрогормоном. Он участвует в передаче нервных импульсов к клеткам нервных узлов и мускульным волокнам. Ацетилхолин в организме быстро гидролизуется под действием фермента ацетилхолинэстеразы до холина и уксусной кислоты. Его синтезируют из холина и ангидрида уксусной кислоты:

В организме ацетилхолин синтезируется из свободного холина и ацетилкофермента А:

В медицинской практике широко используются производные b-аминоспиртов:

Димедрол используется в качестве противоаллергического препарата, обладает слабым снотворным действием. Эфедрин используется как сосудорасширяющее средство.

Большое значение имеют также другие представители гетерофункциональных соединений – аминофенолы, содержащие в своей структуре остаток двухатомного фенола – пирокатехина (катехола или 1,2-диоксибензола). Группу биогенных аминов, являющихся производными пирокатехина (катехола) и осуществляющих регуляцию функций эндокринных желез и передачу нервных импульсов, называют катехоламинами. Катехоламины рассматривают как гормоны и нейромедиаторы. К биогенным катехоламинам относятся дофамин, L-норадреналин и L-адреналин.

Основная функция дофамина – медиатор центральной нервной системы. Нарушение синтеза дофамина в мозгу обнаружено при болезни Паркинсона. Адреналин участвует в регуляции сердечной деятельности, обмена углеводов. L-Адреналин – гормон мозгового слоя надпочечников человека и животных (D-энантиомер в 15 раз менее активен). Взаимодействуя с адренорецепторами, вызывает сужение мелких кровеносных сосудов, повышение артериального давления, усиление работы сердца, расслабление мускулатуры бронхов и кишечника. Связываясь со специфическими рецепторами гликогенсодержащих клеток, стимулирует фермент аденилатциклазу, ответственный за синтез циклического аденозинмонофосфата. Последний, в свою очередь, активирует каскад ферментативных реакций, приводящих, в частности, к расщеплению гликогена и повышению содержания глюкозы в крови. Адреналин также стимулирует распад триглицеридов (жиров) в тканях и усиливает катаболические процессы. При эмоциональных переживаниях, особенно в стрессовых ситуациях, усиленной мышечной работе, охлаждении, понижении уровня сахара содержание адреналина в крови резко возрастает, что обеспечивает адаптацию организма к новым условиям.

Биосинтез этих катехоламинов осуществляется из фенилаланина через тирозин по схеме:

Гидрокси- и аминокислоты, как гетерофункциональные соединения, проявляют типичные свойства как карбоновых кислот, так и свойства спиртов или аминов. Однако для них характерны и специфические реакции, обусловленные взаимным расположением функциональных групп.

При нагревании a-аминокислоты подвергаются межмолекулярной дегидратации с образованием устойчивых шестичленных гетероциклов – дикетопиперазинов :

При нагревании a-гидроксикислоты образуют лактиды как результат межмолекулярного отщепления воды:

При нагревании a-гидроксикислот с серной кислотой происходит их превращение в карбонильное соединение и муравьиную кислоту, которая дальше разлагается на угарный газ и воду:

Нагревание b-амино- и b-гидроксикислот ведет к внутримолекулярному отщеплению аммиака или воды и образованию a,b-непредельных кислот:

Легкость отщепления NH₃ или H₂O обусловлена возникновением в a-положении С-Н кислотного центра из-за влияния двух электроноакцепторных заместителей.

Нагревание g-амино и g-гидроксикислот приводит к образованию пятичленных гетероциклов – лактамов и лактонов — в результате внутримолекулярной дегидратации:

Оксокислоты часто встречаются в живых тканях, участвуют в процессах метаболизма. Наибольшее значение имеют a- и b-оксокислоты.

Как гетерофункциональные соединения, они проявляют свойства как кислот, так и кетонов или альдегидов:

Оксо-группа, содержащаяся в оксокислотах, являясь электроноакцепторным заместителем, усиливает их кислотные свойства за счет проявления отрицательных индуктивного и мезомерного (при наличии сопряженной системы) эффектов:

При наличии двух карбоксильных групп в молекулах оксокислот более сильные кислотные свойства проявляет та карбоксильная группа, ближе к которой расположена оксогруппа. Из-за более близкого расположения электроноакцепторного заместителя на атоме углерода такой карбоксильной группы возникает больший частичный положительный заряд и связь О-Н поляризуется в большей степени, что приводит к усилению кислотности. Присутствие в молекулах двух сильных электроноакцепторных заместителей приводит к возникновению С-Н кислотного центра, благодаря которому для оксокислот характерна кето-енольная таутомерия.

Обнаружить енольную форму кетокислот можно с помощью качественных реакций. При взаимодействии с FeCl₃ енольный гидроксил (как и фенольный) дает характерное фиолетовое окрашивание, а при взаимодействии с бромной водой наблюдается ее обесцвечивание за счет протекания реакции по двойной связи.

Оксокислоты, в молекулах которых оксогруппа находится в a- или b-положениях, легко декарбоксилируются. a-Оксокислоты подвергаются окислительному декарбоксилированию под действием мягких окислителей (Cu(OH)₂, Ag₂O и т.п.):

b-Оксокислоты неустойчивы и самопроизвольно декарбоксилируются при комнатной температуре.

Легкость декарбоксилирования этих соединений обусловлена синхронным переносом протона от карбоксильной группы к карбонильной через образование внутримолекулярного переходного состояния.

Ацетоуксусная кислота, образующаяся в организме в результате окисления b-оксимасляной кислоты, декарбоксилируется аналогичным образом.

b-Оксимасляная кислота, ацетоуксусная кислота и ацетон объединяются в клиническом анализе в группу «кетоновых тел». В моче здорового человека кетоновые тела содержатся в ничтожно малых количествах (не более 0,01г в сутки). В моче больных сахарным диабетом содержание кетоновых тел намного больше. Наряду с сахарным диабетом, кетоновые тела выделяются с мочой при голодании, исключении углеводов из пищи. Кетоновые тела можно обнаружить с помощью галоформной реакции. В эту реакцию вступают соединения, имеющие ацетогруппу СН₃-С(О)-.

Галоформную реакцию используют в аналитических целях, констатируя образование йодоформа по характерному запаху.

Биологически активные гетероциклические соединения

Из огромного числа гетероциклических соединений необходимо отметить гетероциклические соединения, имеющие в своем составе один или несколько атомов азота. Эти соединения широко распространены в природе и являются структурной основой многочисленных физиологически активных веществ и лекарственных препаратов.

Пятичленные гетероциклы с двумя атомами азота

Представителями пятичленных гетероциклов с двумя атомами азота являются пиразол и имидазол:

Оба соединения обладают ароматичностью, в единой сопряженной системе участвуют шесть электронов. Атомы углерода в сопряжение предоставляют по одному р-электрону, пиррольный атом азота в сопряжение отдает пару р-электронов, а пиридиновый атом азота – один р-электрон. Оба изомера обладают меньшей реакционной способностью в реакциях электрофильного замещения чем пиррол, что обусловлено электроноакцепторным характером пиридинового атома азота, уменьшающего электронную плотность в сопряженной системе. Оба гетероцикла проявляют амфотерные свойства, так как содержат одновременно кислотный и основный центры. Пиридиновый атом азота проявляет основные свойства за счет неподеленной электронной пары, не участвующей в создании сопряженной системы, пиррольный атом выступает как N-Н кислотный центр. Для обоих соединений характерно образование межмолекулярных водородных связей и прототропная таутомерия:

Из-за быстрого перехода протона практически невозможно выделить в индивидуальном виде изомеры замещенного пиразола и имидазола. Имидазольный цикл является структурным элементом разнообразных природных соединений, наиболее важными из которых являются аминокислота гистидин и продукт ее декарбоксилирования гистамин.

Гистидин выступает как катализатор в ферментативных реакциях за счет наличия в молекуле кислотного и основного центров. Гистамин принимает участие в передаче нервного возбуждения, активирует секрецию соляной кислоты слизистой желудка, снижает кровяное давление, при освобождении из связанного сотяния или введении в организм вызывает болевые ощущения и отеки. Гистидин также снижает гормональную активность коркового слоя надпочечников, в связи с чем применяется для лечения шизофрении.

Пиразольный цикл в составе природных соединений не обнаружен, однако структура пиразола лежит в основе жаропонижающих, болеутоляющих препаратов – антипирина, амидопирина, анальгина (первые два препарата сняты с производства и заменены более эффективными).

Структурной основой всех трех препаратов является пиразолон-5. Это соединение может существовать в виде трех таутомеров – двух кето-форм и енольной формы:

Шестичленные гетероциклы с одним и двумя атомами азота

Пиридин является p-дефицитным ароматическим соединением из-за наличия в цикле атома азота, проявляющего электроноакцепторные свойства.

Неподеленная пара р-электронов атома азота не участвует в сопряжении и ответственна за проявление пиридином основных и нуклеофильных свойств:

При взаимодействии с кислотами неподеленная пара электронов атома азота предоставляется для образования связи с протоном, т.е. пиридин выступает как акцептор протона и проявляет основные свойства. Если пара электронов атома азота предоставляется для образования связи с любым другим электрофильным атомом, то пиридин в этом случае выступает как нуклеофил. Пиридиновый цикл содержится как в составе отдельных лекарственных препаратов, так и является структурной основой разнообразных природных соединений.

Никотиновая кислота и ее амид являются формами витамина РР, использующегося для лечения пеллагры. Кордиамин является стимулятором ЦНС. Производные изоникотиновой кислоты используются в качестве противотуберкулезных средств (тубазид, фтивазид).

Никотинамидный фрагмент является структурным элементом НАД и НАДФ и обуславливает участие этих коферментов в качестве окислителей в окислительно-восстановительных реакциях.

Легкость протекания восстановления окисленной формы – НАД -объясняется дефецитом электронной плотности в ароматическом катионе пиридиния, который легко подвергается нуклеофильной атаке гидрид-ионом. Присоединение гидрид-иона приводит не только к ликвидации положительного заряда и устранению дефицита электронной плотности в цикле, но и к разрушению ароматической системы. Атом углерода, присоединивший гидрид-ион, образует четвертую s-связь, т.е. переходит в состояние sp³-гибридизации, что приводит к нарушению сопряжения в цикле. Поэтому восстановленная форма – НАДН — может быть донором гидрид-иона, т.е. восстановителем, так как отдача гидрид-иона приводит к регенерации ароматичности.

Пиримидин, так же как и пиридин, является ароматическим гетероциклом. Оба атома азота, входящие в состав цикла, отдают в сопряжение по одному электрону. Электронная плотность в пиримидиновом кольце понижена из-за наличия двух пиридиновых атомов азота, выступающих как электроноакцепторы.

Реакционная способность пиримидина в реакциях электрофильного замещения меньше реакционной способности пиридина, основные свойства у пиримидина также выражены слабее. Пиримидин входит в состав многих как природных соединений (урацил, тимин, цитозин, витамин В₁), так и синтетических лекарственных препаратов.

Витамин В₁ (тиамин) является первым витамином, который был получен в лаборатории в кристаллическом состоянии.

Недостаток тиамина в пище приводит к возникновению полиневрита (болезнь «бери-бери»), в результате которого происходит прогрессирующая дегенерация нервных окончаний и проводящих пучков, что приводит к потере кожной чувствительности, нарушениям нормальной моторики желудочно-кишечного тракта, сердечным болям, параличу и смерти.

Пиримидиновый цикл является структурной основой ряда лекарственных препаратов:

Оротат калия применяется как стимулятор обменных процессов, метилтиоурацил – препарат для лечения заболеваний щитовидной железы, барбитуровая кислота и ее соли – снотворные и противосудорожные средства, средства для наркоза. Большие дозы барбитуратов могут быть смертельными вследствие угнетения дыхания. При длительном применении барбитуратов может происходить привыкание к ним организма. Барбитуровая кислота является бесцветным кристаллическим веществом, плохо растворимым в холодной воде и этаноле, хорошо раствряется в горячей воде и эфире. Щелочами титруется как одноосновная кислота, кислотные свойства обусловлены кето-енольной и лактам-лактимной таутомерией.

Получают барбитуровую кислоту и ее производные взаимодействием мочевины с диэтиловым эфиром малоновой кислоты или с дизамещенными эфирами малоновой кислоты в присутствии этилата натрия.

В отличие от барбитуровой кислоты, для ее 5,5–дизамещенных производных (R₁,R₂=C₂H_{5 –} барбитал (веронал), R₁₌С₂Н₅, R₂=С₆Н₅ – фенобарбитал (люминал), R₁₌С₃Н_7, R₂=С₅Н₁₁ – секонал) невозможна кето-енольная тауомерия. Образование солей происходит с участием лактимной формы этих соединений.

Бициклические системы, содержащие азот

Бензпиррол (индол) является ароматической бициклической системой, состоящей из бензольного и пиррольного циклов. В создании единой сопряженной системы участвуют 10 электронов, атом азота предоставляет в сопряжение пару р-электронов. Как ароматическое соединение, легко вступает в реакции электрофильного замещения, за счет пиррольного атома азота (N-H кислотный центр) проявляет слабые кислотные свойства.

Индол содержится в эфирных маслах жасмина и цитрусовых, входит в состав каменноугольной смолы. Индольный фрагмент часто встречается в структуре природных соединений – индольных алкалоидов, трипофана и его производных, лекарственных препаратов – индопан, индометацин.

Триптофан является незаменимой аминокислотой и играет заметную роль в процессах жизнедеятельности. В организме триптофан метаболизируется несколькими путями:

— триптофан, подвергаясь окислительному дезаминированию, превращается в b–индолилпировиноградную кислоту, которая в результате окислительного декарбоксилирования превращается в b–индолилуксусную кислоту;

— триптофан может подвергаться декарбоксилированию с образованием триптамина, который в результате окислительного дезаминирования превращается в b–индолилуксусную кислоту;

— триптофан, подвергаясь гидроксилированию, образует 5-гидрокситриптофан, который в результате декарбоксилирования превращается в 5-гидрокситриптамин (серотонин). Образующийся серотонин подвергается окислительному дезаминированию с образованием 5-гидрокси-b–индолилуксусной кислоты.

Серотонин встречается в головном мозге, тромбоцитах крови, клетках кишечника. Он способен суживать сосуды, в связи с чем используется для лечения кровотечений. Однако более важной функцией является активация процессов, связанных с возбуждением нервной системы. Считают, что серотонин является одним из нейромедиаторов головного мозга, а нарушение его нормального обмена в организме приводит к шизофрении.

Пурин – ароматическое бициклическое соединение, состоящеее из пиримидинового и имидазольного колец. В составе молекулы имеется три пиридиновых атома (номера 1,3,7) и пиррольный атом азота (номер 9).

Пуриновые производные (аденин, гуанин и др.) играют большую роль в химии и биохимии нуклеиновых кислот. Гидроксилированные производные пурина – гипоксантин и ксантин — образуются в результате процессов дезаминирования пуриновых оснований и соответствующих им нуклеозидов. Далее они подвергаются окислению с образованием молочной кислоты. У человека и ряда животных (человекообразные обезьяны, птицы, рептилии) мочевая кислота является конечным продуктом распада пуриновых оснований и выводится из организма.

Метилированные производные ксантина относят к алкалоидам пуринового ряда. Кофеин является возбуждающим ЦНС и стимулирующим работу сердца средством. Теофиллин и теобромин, содержащиеся в чае и какао, соответственно, обладают менее выраженным стимулирующим действием. Кофеин, теофиллин и теобромин обладают достаточно сильно выраженными мочегонными свойствами, используются как диуретики.

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение, а поэтому – разные свойства. Изомеры делят на два типа – структурные и стереоизомеры.

Структурные изомеры имеют разное химическое строение (отличаются последовательностью соединения атомов в молекулах). Структурная изомерия обусловлена:

1) изомерией углеродного скелета:

2) изомерией положения кратных связей или функциональных групп:

3) межклассовой изомерией:

Разновидностью межклассовой изомерии является таутомерия. Таутомерия – подвижная динамическая изомерия, обусловленная переносом протона (или другой подвижной частицы) и сопровождающаяся миграцией двойной связи.

Стереоизомеры имеют одинаковое химическое строение, но отличаются расположением атомов или групп атомов в пространстве. Причиной различного пространственного расположения атомов и групп атомов в молекулах стереоизомеров являются отличия в конфигурации или конформации молекул.

Конфигурация – это определенное пространственное расположение атомов в молекуле без учета вращения вокруг одной или нескольких s-связей.

Конформация – это определенное пространственное расположение атомов в молекуле определенной конфигурации, обусловленное поворотом вокруг одной или нескольких s-связей.

И конфигурационные, и конформационные стереоизомеры делятся на энантиомеры (оптические изомеры)и диастереомеры (геометрические). Энантиомеры (оптические изомеры, оптические антиподы) – это стереоизомеры, соотносящиеся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение.

Оптическая изомерия характерна для молекул, не имеющих элементов симметрии – плоскости симметрии, центра симметрии, оси симметрии второго и высших порядков. Плоскость симметрии – воображаемая плоскость, делящая фигуру (молекулу) на две равные части. Ось симметрии – это проходящая через фигуру ось, при вращении вокруг которой на 360° фигура совмещается. Если при вращении вокруг оси симметрии на 360° происходит совмещение 1 раз, то говорят, что фигура имеет ось симметрии 1-го порядка, если два раза, – ось симметрии 2-го порядка и т.д. Центр симметрии – точка пересечения осей симметрии. Самой симметричной фигурой является шар, имеющий центр симметрии и бесчисленное множество плоскостей и осей симметрии. Самым асимметричным телом является рука.

Энантиомеры обладают практически одинаковыми физическими и химическими свойствами, но отличаются по оптической активности и реакционной способности в отношении хиральных реагентов. Диастереомеры – это стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отображениями друг друга. Они обладают разными физическими и химическими свойствами.

Конфигурационные изомеры можно рассмотреть на примерах молекул бутанола-2 и бутена-2. Все атомы углерода в молекуле бутанола-2 находятся в тетраэдрической конфигурации (вследствие sр³-гибридизации атомных орбиталей углерода все четыре s-связи каждого атома углерода направлены к вершинам тетраэдра), однако заместители, связанные со вторым атомом углерода, могут по-разному располагаться в вершинах тетраэдра, что ведет к существованию для этой молекулы двух стереоизомеров. Стереоизомеры бутанола-2 соотносятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение и являются энантиомерами.

В молекуле бутена-2 атомы углерода, образующие двойную связь, имеют тригональную конфигурацию (вследствие sр²-гибридизации атомных орбиталей углерода три s-связи расположены в одной плоскости под углом 120°, а негибридная р-орбиталь расположена перпендикулярно этой плоскости). Конфигурационные изомеры в этом примере возникают из-за разного расположения заместителей относительно двойной связи. Стереоизомеры бутена-2 не являются зеркальными отображениями друг друга и являются диастереомерами (p-диастереормерами).

Конформационные изомеры (конформеры) известны практически для любых органических соединений, в молекулах которых возможно вращение относительно связи углерод-углерод или углерод-гетероатом. Из приведенных ниже примеров видно, что такие стереоизомеры не являются зеркальными отображениями друг друга и поэтому являются диастереомерами.

Энергии различных конформаций неодинаковы, поэтому неодинакова и вероятность нахождения молекулы в той или иной конформации. Если затраты энергии для перехода из одной конформации в другую невелики, то соединение существует в виде равновесной смеси разных конформеров. Если одна конформация более выгодна энергетически, то молекула преимущественно существует в виде этого конформера (как правило, при низких температурах), в отдельных случаях конформеры можно выделить в индивидуальном виде.

Под оптической активностью понимают способность некоторых веществ вращать плоскость плоскополяризованного света по часовой стрелке или против часовой стрелки на одинаковый угол. Оптическая активность возникает в случае, когда молекула не может быть совмещена со своим зеркальным отображением.

Молекулы, которые не совместимы со своим зеркальным отображением, называются хиральными; те молекулы, которые можно совместить со своим зеркальным отображением, называются ахиральными. Хиральная молекула и ее зеркальное отображение – разные соединения, являющиеся стереоизомерами – энантиомерами (оптическими антиподами).

Хиральные молекулы не имеют плоскости симметрии, центра симметрии, оси симметрии 2-го и более высоких порядков. Простейший случай хиральной структуры – это «асимметрически замещенный атом углерода», т.е. атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями. Так, молекула бутанола-2 имеет асимметрический атом углерода (хиральный центр) и является хиральной, существует в виде двух энантиомеров. Если в молекуле есть два одинаковых заместителя у одного атома углерода, как в молекуле пропанола-2, то в молекуле появляется плоскость симметрии, и такая молекула совместима со своим зеркальным отображением. В качестве хирального центра могут выступать и другие атомы – Si, N, Р. Наличие в молекуле асимметрически замещенного атома является необходимым, но не всегда достаточным условием для проявления хиральности. Главным условием является отсутствие в молекуле элементов симметрии, тогда хиральной может быть молекула, не имеющая хирального центра. Примером такой хиральной молекулы может служить пентадиен-2,3.

Метильные группы располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях, что делает молекулу пентадиена-2,3 асимметричной в целом. В то же время молекула пропадиена (аллен) имеет плоскость симметрии и поэтому является ахиральной. Хотя трехмерные формулы достаточно хорошо отражают структуру хиральных молекул, они неудобны и громоздки для отображения молекул, содержащих несколько хиральных центров. Для изображения энантиомеров на плоскости (для записи) используют проекционные формулы Фишера.

На плоскость проецируется тетраэдр, расположенный таким образом, чтобы вверху оказалась наиболее окисленная группа (СООН, СНО, SO₃H и др.), а на горизонтальном ребре, повернутом к наблюдателю, располагались атом водорода и функциональная группа (ОН, NH₂, Br, I, Fи др). Хиральный центр изображается на плоскости как пересечение вертикальной и горизонтальных линий. На горизонтальной линии располагаются заместители, направленные к наблюдателю (расположенные на горизонтальном ребре тетраэдра), а на вертикальной – заместители, удаленные от наблюдателя (находящиеся за плоскостью бумаги). Проекционные формулы Фишера для 2-аминопропановой кислоты и глицеринового альдегида имеют вид:

При использовании проекционных формул Фишера необходимо учитывать следующие правила:

поворот проекционной формулы на 180° в плоскости бумаги не меняет стереохимического смысла;

четное число перестановок заместителей у хирального центра не меняет стереохимического смысла;

повороты проекционной формулы Фишера в плоскости бумаги на 90° или 270°, а также поворот на 180° с выводом из плоскости дают проекцию энантиомера, т.е. меняют стереохимический смысл на противоположный;

нечетное число перестановок заместителей у хирального центра дает проекцию энантиомера, т.е. меняет стереохимический смысл на противоположный.

Определение истинного пространственного расположения атомов в молекуле, т.е. абсолютной конфигурации, стало возможным с использованием рентгеноструктурного анализа. В качестве конфигурационного стандарта был принят глицериновый альдегид. Правовращающий энантиомер глицеринового альдегида назвали D-( )-глицериновый альдегид, левовращающий энантиомер назвали L-(-)-глицериновый альдегид.

В этих названиях символы D и L обозначают только конфигурацию и не имеют связи с оптическим вращением. Одно и то же соединение в зависимости от условий определения оптической активности может быть как правовращающим ( ), так и левовращающим (-). Буквы D и L – символы стереохимической номенклатуры. К D-ряду относятся родственные глицериновому альдегиду соединения, в проекционных формулах Фишера которых функциональные группы, связанные с хиральным центром, расположены справа от вертикальной линии, к L-ряду – слева.

D- и L-глицериновый альдегид используется для определения конфигурации оптически активных молекул. Определение конфигурации проводят путем сравнения конфигурации исследуемой молекулы с абсолютной конфигурацией соединения, принятого за стандарт, т.е с конфигурацией D- или L- глицеринового альдегида. Сравнение конфигурации исследуемых соединений с конфигурационным стандартом (т.е. определение относительной конфигурации) проводят путем ряда химических превращений, не затрагивающих хиральный центр. Так, если нужно определить конфигурацию хирального центра оптически активной молекулы 2-гидрокси-3-хлорпропановой кислоты, можно поступить следующим образом:

Провести гидролиз исследуемого соединения до глицериновой кислоты:

В этом случае хиральный центр не участвует в реакции, его конфигурация не меняется.

Провести окисление D- и L- глицериновых альдегидов до соответствующих D- и L-глицериновых кислот:

В этих превращениях хиральные центры не участвуют в реакции, их конфигурация не меняется.

Сравнить оптическую активность (угол вращения и знак) глицериновой кислоты, полученной из исследуемого соединения, и оптическую активность D- и L–глицериновых кислот. Если оптическая активность глицериновой кислоты, полученной из исследуемого соединения, совпадает с оптической активностью D-глицериновой кислоты, полученной из D-глицеринового альдегида, значит, исследуемое соединение принадлежит к D- ряду. Если оптическая активность глицериновой кислоты, полученной из исследуемого соединения, совпадает с оптической активностью L-глицериновой кислоты, полученной из L-глицеринового альдегида, значит, исследуемое соединение принадлежит к L- ряду.

Хотя D/L система стереохимической номенклатуры используется часто, особенно в химии углеводов и аминокислот, Кан, Ингольд и Прелог предложили более универсальную R/S систему отнесения конфигурации оптических изомеров. Система основана на «старшинстве» заместителей. Заместители, расположенные в вершинах тетраэдра, получают номера от 1 до 4, 1 – самый старший. Тетраэдр располагают таким образом, чтобы младший заместитель (обычно атом Н) был наиболее удаленным от наблюдателя. Если старшинство трех других заместителей, расположенных в основании тетраэдра, повернутого к наблюдателю, убывает по часовой стрелке, то такую конфигурацию обозначают буквой R, если старшинство заместителей убывает против часовой стрелки, тогда конфигурация хирального центра обозначается буквой S. Порядок старшинства определяется специальными правилами, которые здесь рассматриваться не будут.

Многие органические молекулы имеют в своем составе несколько хиральных центров, что приводит к увеличению количества стереоизомеров. Число стереоизомеров N можно найти по формуле N = 2ⁿ, где n – число хиральных центров в молекуле. В молекуле 2-бром-3-гидроксибутандиовой кислоты имеется два хиральных центра,

вследствие чего соединение имеет две пары энантиомеров, а общее число стереоизомеров равно 4. Соединение из первой пары энантиомеров по отношению к любому соединению из второй пары энантиомеров является диастереомером.

Понятия энантиомерии и диастереомерии взаимоисключающие, т.е. если два стереоизомера не являются энантиомерами друг по отношению к другу, то они диастереомеры. Принадлежность к D-,L-рядам стереохимической номенклатуры определяется с помощью «гидроксикислотного ключа», который учитывает конфигурацию ближайшего к карбоксильной группе хирального центра.

Известны соединения, в которых количество стереоизомеров на практике оказывается меньше рассчитанного из формулы N = 2ⁿ:

Для винной кислоты известны три стереоизомера: пара энантиомеров (D-винная и L-винная кислоты) и мезовинная кислота, не обладающая оптической активностью. Отсутствие оптической активности у мезовинной кислоты и невозможность ее существования в виде пары энантиомеров объясняется наличием в ее молекуле плоскости симметрии. Мезовинная кислота по отношению к D- или L-винным кислотам является диастереомером.

Смесь равных количеств энантиомеров называется рацематом. Рацемат оптической активностью не обладает. Оптическая активность будет проявляться лишь в случае, когда рацемическая смесь состоит из разных количеств энантиомеров. Для разделения рацематов на энатиомеры используют четыре способа: механический, биохимический (ферментативный), химический и адсорбционный.

Механический способ является исторически первым методом разделения энантиомеров. Он основан на разделении энантиомеров по форме кристаллов, образующихся при кристаллизации рацемата (энантиомеры кристаллизуются независимо друг от друга, их кристаллы являются зеркальными отображениями друг друга).

Ферментативный способ основан на том, что микроорганизмы могут потреблять один из энантиомеров. В этом случае теряется один из энантиомеров.

Химический способ основан на переводе энантиомеров под действием хирального реагента в смесь диастереомеров, имеющих существенные различия в физических и химических свойствах, и последующее их разделение.

Адсорбционный (хроматографический) метод основывается на:

1) использовании различной адсорбционной способности диастереомеров, в этом случае их разделение возможно на обычных адсорбентах;

2) непосредственном разделении энантиомеров на оптически активных адсорбентах.

Углеводы – класс органических соединений, представители которого встречаются во всех живых системах. Было установлено, что многие представители этого класса соединений имеют молекулярную формулу типа С_n(H₂O)_m (n, m ³ 3), откуда и произошло название «углеводы», смысл которого ограничивается только этим формальным признаком. Углеводы образуются в результате фотосинтеза, осуществляемого в растениях:

nCO₂ mH₂O = С_n(H₂O)_m nO₂

Животные организмы получают углеводы из растительных источников.

По отношению к гидролизу углеводы делятся на:

моносахариды – углеводы, которые не подвергаются гидролизу;

олигосахариды – углеводы, которые при гидролизе образуют от 2 до 10 моносахаридов;

полисахариды – углеводы, при гидролизе которых образуется свыше 100 моносахаридов.

Моносахариды, в свою очередь, классифицируют:

— по наличию альдегидной или кетогруппы – на альдозы и кетозы;

— по длине углеродной цепи – на триозы, тетрозы, пентозы и т.д.;

— по длине углеродной цепи и наличию альдегидной или кетогруппы – на альдотетрозы, кетопентозы, альдогексозы и т.д.

Моносахариды представляют собой полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. Простейшей формуле С₃Н₆О₃ соответствуют три изомерные триозы – кетотриоза и две энантиомерные альдотриозы:

D- и L-глицериновые альдегиды можно рассматривать как родоначальные соединения двух рядов энантиомерных альдоз, дигидроксиацетон – как родоначальное соединение кетоз. Моносахариды обычно представляют собой твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, умеренно растворимые в спирте и нерастворимые в неполярных растворителях – бензоле, хлороформе, эфире. Наибольшее биологическое значение среди моносахаридов имеют пентозы (рибоза, ксилоза) и гексозы (глюкоза, манноза, галактоза, сахароза). Принадлежность моносахаридов к D,L- рядам стереохимической номенклатуры определяется конфигурацией наиболее удаленного хирального центра.

D-рибоза и D-ксилоза, а также L-рибоза и L-ксилоза являются диастереомерами, отличающимися конфигурацией только одного хирального центра (третьего атома углерода). Диастереомеры, отличающиеся конфигурацией только одного хирального центра, называются эпимерами. D-рибоза и L-ксилоза, а также L-рибоза и D-ксилоза отличаются конфигурацией двух хиральных центров (второго и четвертого атомов углерода) и являются диастереомерами. D-ксилулоза и D-рибулоза друг по отношению к другу являются эпимерами, а по отношению к рибозе или ксилозе они являются структурными изомерами.

Аналогичная картина наблюдается и для гексоз: фруктоза (кетогексоза) является структурным изомером по отношению к альдогексозам. Альдогексозы, принадлежащие к одному стереохимическому ряду, по отношению друг к другу являются диастереомерами, а в случае отличия конфигурации только одного хирального центра образуют пары эпимеров.

Как известно, если в молекуле содержится несколько хиральных центров, то число стереоизомеров можно высчитать по формуле N = 2ⁿ(n – число хиральных центров). Однако для моносахаридов число стереоизомеров оказывается в два раза большим. В результате образования циклических форм моносахаридов появляется дополнительный центр хиральности – аномерный центр. В случае альдогексоз образование циклических форм происходит за счет взаимодействия альдегидной группы и спиртовой гидроксильной группы четвертого или пятого атомов углерода. Таким образом, циклические формы альдоз являются циклическими полуацеталями. Циклические формы моносахаридов обычно изображают с помощью формул Толленса или «перспективных» формул Хеуорса:

Атом углерода карбонильной группы в результате образования циклических форм оказывается связанным с четырьмя разными заместителями и таким образом возникает дополнительный хиральный центр – аномерный центр. Стереоизомеры, различающиеся только конфигурацией дополнительно возникшего хирального центра, называются аномерами. Аномеры представляют частный случай эпимеров и, как эпимеры, являются диастереомерами.

Для перехода от проекционных формул Фишера к формулам Хеуорса необходимо:

— произвести четное число перестановок у атома углерода, гидроксильная группа которого участвует в образовании циклического полуацеталя, таким образом, чтобы она оказалась внизу;

— записать с помощью формул Толленса циклические полуацетали, которые образуются за счет взаимодействия карбонильной группы и гидроксильной группы;

— заместители, которые в полученной формуле Толленса находятся справа от углеродного скелета, располагаются под циклом в формуле Хеуорса, заместители, находящиеся слева от углеродного скелета – располагаются над циклом в формуле Хеуорса.

Рассмотрим на примере образования циклических форм галактозы. Галактоза может образовывать шестичленные (пиранозные) и пятичленные (фуранозные) циклы. Для получения пиранозных форм галактозы:

— делаем четное число перестановок у пятого атома углерода, чтобы ОН-группа, участвующая в образовании цикла, оказалась внизу:

— записываем циклические полуацетали формулами Толленса:

Образующиеся циклические полуацетали содержат дополнительно возникший хиральный центр – аномерный центр. Если конфигурация аномерного атома углерода совпадает с конфигурацией наиболее удаленного хирального центра в открытой форме моносахарида, то это – a-аномер, если не совпадает, – это b-аномер.

— Переходим от формул Толленса к перспективным формулам Хеуорса: в пиранозном цикле заместители, которые в полученной формуле Толленса находятся справа от углеродного скелета, располагаются под циклом в формуле Хеуорса, заместители, находящиеся слева от углеродного скелета, располагаются над циклом в формуле Хеуорса.

Аналогичным образом перейдем к фуранозным формам галактозы:

— делаем четное число перестановок у четвертого атома углерода, чтобы ОН-группа, участвующая в образовании цикла, оказалась внизу:

— записываем циклические полуацетали формулами Толленса:

— переходим от формул Толленса к перспективным формулам Хеуорса:

В зависимости от природы углевода (числа атомов углерода, наличия альдегидной или кето-группы), природы растворителя и условий кристаллизации в твердом состоянии моносахариды можно получить в виде a- или b-аномерных пираноз или фураноз. Было обнаружено, что в растворах моносахаридов происходит изомеризация, в результате которой устанавливается равновесие между пиранозными и фуранозными формами, взаимопревращение которых идет через оксо-форму. Такой вид изомерии называется цикло-оксо-таутомерия.

В водном растворе глюкозы преобладают пиранозные формы (32% – a-аномер, 68% – b-аномер), суммарное количество фуранозных форм и открытой формы составляет менее 1%. Подобные таутомерные превращения характерны для водных растворов моносахаридов и большинства дисахаридов. Преобладание в растворе глюкозы именно b-D-глюкопиранозы, а также ее распространенность среди природных моносахаридов объясняется устойчивостью шестичленного гетероцикла, в котором все гидроксильные группы находятся в экваториальном положении.

Цикло-оксо-таутомерия углеводов является причиной мутаротации. Мутаротация – изменение во времени угла вращения плоскости поляризации света растворами углеводов (со временем в растворах индивидуальных аномеров происходит постепенное изменение угла вращения плоскости поляризации света до достижения постоянной величины, что соответствует установлению равновесия между таутомерными формами).

Моносахариды, являясь полигетерофункциональными соединениями, проявляют свойства как многоатомных спиртов, так и свойства карбонильных соединений – альдегидов или кетонов. Как карбонильные соединения, кетозы и альдозы в виде открытых форм вступают в реакции присоединения, а альдозы легко подвергаются окислению. Альдозы легко вступают в качественные реакции альдегидов – реакции с аммиачным раствором оксида серебра (I) и гидроксидом меди (II), окисляясь до соответствующих кислот, которые в щелочной среде неустойчивы и подвергаются деструкции углеродного скелета.

Устойчивый продукт образуется при окислении альдоз бромной водой. Следует помнить, что фруктоза в щелочной среде подвергается изомеризации в альдозы – глюкозу и маннозу, и поэтому ее растворы нельзя отличить от растворов альдоз с помощью реагентов Толленса и Фелинга, однако растворы альдоз можно легко отличить от раствора фруктозы с помощью бромной воды.

Как многоатомные спирты, моносахариды реагируют в виде циклических форм, которые преобладают в смеси таутомеров, образуя простые и сложные эфиры, ацетали.

При взаимодействии циклических полуацеталей со спиртами в кислой среде в реакцию вступает только полуацетальная гидроксильная группа, в результате реакции образуются два эпимерных ацеталя, называемых в химии углеводов гликозидами.

Образование двух стереоизомеров объясняется механизмом протекания реакции: под действием кислотного катализатора на первом этапе идет протонирование атома кислорода полуацетальной ОН-группы, что приводит к ее превращению в хорошо уходящую группу; на втором этапе идет отщепление молекулы воды и образование карбкатиона; на третьем этапе sp²-гибридизированный атом углерода карбкатиона подвергается нуклеофильной атаке, которая происходит с обеих сторон плоскости, что приводит к образованию стереоизомеров; на четвертом этапе происходит отщепление протона – возврат катализатора.

Сложные эфиры получают при действии на моносахариды ацилирующих агентов. Хотя гидроксильные группы моносахаридов несколько отличаются по реакционной способности (наиболее легко ацетилируются первичноспиртовая группа и гидроксильная группа при С₂), случаи образования частично ацетилированных сахаров сравнительно редки. Ацетилирование моносахаридов со свободной полуацетальной группой осложняется наличием таутомерных превращений. При взаимодействии глюкозы с уксусным ангидридом в пиридине без нагревания образуется полный ацетат с сохранением конфигурации у С₁:

При проведении этой реакции при повышенной температуре равновесие в растворе между аномерными формами исходного моносахарида устанавливается очень быстро, и поскольку экваториальный полуацетальный гидроксил b-аномера ацетилируется значительно быстрее аксиального полуацетального гидроксила a-аномера, конечным продуктом реакции, независимо от исходной конфигурации, будет полный ацетат b-аномера:

Большинство углеводов, встречающихся в природе, состоят из двух и более остатков моносахаридов, т.е. являются олиго- и полисахаридами. Формально образование этих веществ можно представить как превращение полуацеталя в ацеталь (гликозид) за счет взаимодействия полуацетальной гидроксильной группы одного моносахарида со спиртовой гидроксильной группой (реже с полуацетальной гидроксильной группой) другой молекулы моносахарида. Существенное различие биологических свойств различных олиго- и полисахаридов обусловлено особенностями пространственного строения гликозидных связей. Среди дисахаридов, являющихся простейшими представителями олигосахаридов, различают восстанавливающие и невосстанавливающие. Наиболее известными представителями восстанавливающих дисахаридов являются мальтоза, целлобиоза и галактоза.

Мальтоза (солодовый сахар) – дисахарид, получающийся при ферментативном расщеплении крахмала, состоит из двух остатков a-D-глюкопиранозы. Оба остатка глюкозы имеют пиранозный цикл и соединяются друг с другом посредством a-1,4- гликозидной связи, в образовании которой участвует полуацетальная гидроксильная группа одной молекулы и гидроксильная группа у четвертого атома углерода другой молекулы :

Поскольку в молекуле мальтозы содержится свободная полуацетальная гидроксильная группа, то для растворов мальтозы характерна мутаротация, обусловленная цикло-оксо-таутомерией:

Наличие в растворах мальтозы открытой формы обуславливает проявление ею химических свойств альдегидов: она способна вступать как в реакции присоединения по двойной связи С=О (присоединять НСN, подвергаться гидрированию), так и в реакции окисления (под действием мягких окислителей она превращается в мальтобионовую кислоту). Реакции с участием гидроксильных групп приводят к образованию простых и сложных эфиров, а во взаимодействии со спиртами (в кислой среде) участвует только полуацетальная гидроксильная группа, что приводит к образованию ацеталей (гликозидов).

Целлобиоза – дисахарид, получаемый при химическом расщеплении целлюлозы, – состоит из двух остатков b-D-глюкопиранозы, соединенных b-1,4-гликозидной связью.

Лактоза (молочный сахар) – дисахарид, присутствующий в молоке в довольно значительных количествах: в коровьем молоке содержание лактозы составляет 4–5,5%, в женском молоке – 5,5–8,4%.

Этот дисахарид состоит из остатков b-D-галактопиранозы и b-D-глюкопиранозы, связанных b-1,4 – гликозидной связью. Лактоза отличается от всех других сахаров отсутствием гигроскопичности – она не отсыревает. Это свойство лактозы используют в фармацевтике: если нужно приготовить с сахаром какой-либо порошок, содержащий легко гидролизующееся лекарство, то берут молочный сахар; если взять другой сахар, он быстро отсыреет и легко гидролизующееся лекарственное вещество быстро разложится.

Трегалоза – дисахарид, состоящий из двух остатков a-D-глюкопиранозы, связанных между собой a-1,1-гликозидной связью.

Трегалоза найдена в пшенице, молодых грибах и водорослях. Как и фруктоза, трегалоза относится к невосстанавливающим дисахаридам.

Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) – дисахарид, состоящий из остатков a-D-глюкопиранозы и b-D-фруктопиранозы, связанных посредством a-1,2-гликозидной связи:

Сахароза чрезвычайно распространена в растительном мире: она содержится в листьях растений, в плодах. Кроме сахарного тростника и сахарной свеклы, большое количество сахарозы содержат клен (кленовый сок), пальма, кукуруза. Сахароза является наиболее известным и широко применяемым сахаром. Молекула сахарозы не обладает восстанавливающей активностью, так как не имеет свободной полуацетальной гидроксильной группы (они задействованы в образовании a-1,2-гликозидной связи). Растворы сахарозы не подвергаются мутаротации из-за невозможности протекания цикло-оксо-таутомерии. В реакциях сахароза проявляет свойства восьмиатомного спирта, образуя простые и сложные эфиры, а также гликозида, подвергаясь гидролизу в кислой среде с образованием глюкозы и фруктозы.

Лекция № 12

a -Аминокислоты и белки

Аминокислоты – производные карбоновых кислот, в молекулах которых один или несколько атомов водорода в углеводородном радикале замещены на одну или несколько аминогрупп. Наибольшее биологическое значение имеют a-аминокислоты, как структурные единицы белков и пептидов, b-,g- и d-аминокислоты играют гораздо меньшую роль. Большинство встречающихся в природе аминокислот имеют структуру типа R-CH(NH₂)-COOH и отличаются только строением радикала R. В белках чаще всего встречается около 22 аминокислот. Для поддержания жизнедеятельности человека определенные аминокислоты должны ежедневно поступать с пищей, так как организм не синтезирует или не способен их синтезировать в достаточном количестве. Такие аминокислоты называются незаменимыми. Все аминокислоты, кроме простейшего представителя – глицина, содержат хиральный центр у a-углеродного атома. Большинство природных аминокислот принадлежит к L-ряду стереохимической номенклатуры.

Аминокислоты обычно подразделяют на три группы:

1) содержащие нейтральные неполярные (углеводородные) боковые цепи:

2) содержащие нейтральные полярные боковые цепи:

3) содержащие боковые цепи с кислотной или основной функцией:

Некоторые аминокислоты (цистин, треонин, изолейцин и гидроксипролин) имеют два хиральных центра и могут существовать в виде четырех стереоизомеров. Однако для цистина число возможных стереоизомеров меньше из-за наличия плоскости симметрии у мезоформы, которая оптически неактивна.

a-Аминокислоты в свободном виде представляют собой твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, плохо растворимые в спирте, не растворимые в эфире и других неполярных органических растворителях. a-Аминокислоты характеризуются высокими температурами плавления, что обусловлено их существованием в виде цвиттер-ионов (биполярных ионов):

Наличие как основной (NH₂), так и кислотной (СООН) групп в молекуле означает, что в водном растворе реальное строение частиц зависит от значения рН. При низких значениях рН карбоксильная группа находится в недиссоциированном состоянии, аминогруппа – в протонированной форме.

При высоких значениях рН аминокислоты в водных растворах находятся в виде аминокарбоксилат-анионов. При промежуточных значениях рН основная частица, находящаяся в растворе в существенных количествах, – это цвиттер-ион, молекулярная форма RCH(NH₂)CООН не присутствует в сколько-нибудь значительной степени. На существовании в сильно кислой среде аминокислот в катионной форме и в щелочной среде – в анионной форме основано разделение аминокислот методом электрофореза: катионы под действием электрического тока перемещаются к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы – к аноду (положительно заряженному электроду). рН раствора аминокислоты, при котором средний заряд молекулы равен нулю, называется изоэлектрической точкой (рI). Состояние аминокислоты, в котором ее заряд равен нулю, называется изоэлектрическим состоянием (т.е. в растворе концентрация биполярных ионов аминокислоты максимальна, а концентрации катионных и анионных форм аминокислоты минимальны и равны между собой). Для моноаминомонокарбоновых кислот значения рН, при котором они находятся в изоэлектрическом состоянии, лежат в пределах 5.5-6.3, что близко к нейтральной среде, поэтому такие аминокислоты называют нейтральными. Для моноаминодикарбоновых кислот значения рН, при котором они находятся в изоэлектрическом состоянии, лежат в сильно кислой среде (рI<3.1), поэтому такие аминокислоты называют кислыми. У диаминомонокарбоновых кислот значения рН в изоэлектрическом состоянии лежат в сильно щелочной среде (рI>9.8), такие аминокислоты называют основными.

В реакциях аминокислоты проявляют себя как гетерофункциональные соединения, т.е. реагируют в зависимости от реакционного партнера либо одной функциональной группой, либо обе функциональные группы вступают в реакцию с реагентом.

Качественной реакцией на a-аминокислоты является их взаимодействие со свежеполученным гидроксидом меди (II), в результате которого образуется внутрикомплексное соединение сине-фиолетового цвета:

Реакции по аминогруппе:

Под действием ацилирующих агентов аминокислоты легко подвергаются ацилированию с образованием амидов:

Превращение аминогруппы в амидную используется для защиты аминогруппы при синтезе пептидов и белков.

Как амины, аминокислоты подвергаются алкилированию под действием галогеналканов:

Аминокислоты реагируют с альдегидами, образуя аминоспирты, которые легко могут быть превращены в имины (основания Шиффа). Реакция аминокислот с формальдегидом приводит к образованию аминоспиртов, которые можно оттитровывать, используя метод кислотно-основного титрования. Непосредственное титрование аминокислот щелочью не может быть использовано для их количественного определения вследствие амфотерности аминокислот:

Аминокислоты могут вступать в реакции дезаминирования. В лабораторных условиях (in vitro) дезаминирование происходит под действием азотистой кислоты:

В животных и растительных организмах дезаминирование происходит с участием ферментов и может быть окислительным или неокислительным.

Неокислительное дезаминирование приводит к образованию a,b-непредельных кислот и отщеплению аммиака:

Окислительное дезаминирование идет с участием кофермента НАД и оксидаз – ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции.

a-Аминокислоты реагируют с нингидрином с образованием продукта сине-фиолетового цвета, что используется как общая качественная реакция на a-аминкислоты:

Взаимодействие a-аминокислот с 2,4-динитрофторбензолом приводит к образованию динитрофенильных производных, окрашенных в желтый цвет. Эти соединения легко идентифицируются хроматографическими методами по значениям R_f.

Взаимодействие с 2,4-динитрофторбензолом ранее использовалось для идентификации N-концевой аминокислоты белков и пептидов. Для этого на пептид действовали 2,4-динитрофторбензолом, а затем продукт подвергали гидролизу, получая в итоге смесь a-аминокислот и концевую аминокислоту в виде динитрофенильного производного. При помощи хроматографического анализа легко идентифицировали N-концевую кислоту по ее динитрофенильному производному и определяли аминокислотный состав пептида. Однако аминокислотная последовательность в этом случае оставалась неизвестной. Только для дипептидов, используя данный способ, можно было установить их аминокислотную последовательность.

Один из универсальных способов установления аминокислотной последовательности основан на взаимодействии a-аминокислот с фенилизотиоцианатом:

На первом этапе реакции идет нуклеофильное присоединение – аминогруппа аминокислоты присоединяется к атому углерода за счет разрыва двойной связи углерод-азот, на втором этапе происходит внутримолекулярное нуклеофильное замещение, приводящее к образованию фенилтиогидантоина – циклического амида. Для определения аминокислотной последовательности пептида его подвергают воздействию фенилизотиоцианата в щелочной среде. Как и в предыдущем примере, сначала происходит нуклеофильное присоединение к фенилизотиоцианату свободной аминогруппы N-концевой аминокислоты.

Дальнейшая обработка слабой кислотой без нагревания приводит к отщеплению от пептидной цепи N-концевой аминокислоты в виде фенилтиогидантоинового (ФТГ) производного, которое затем идентифицируется хроматографически. Последующее добавление к укороченному на одну аминокислоту пептиду фенилизотиоцианата в конечном итоге опять приводит к отщеплению аминокислоты с N-конца в виде ФТГ-производного. Таким образом можно определить аминокислотную последовательность, идентифицируя отщепляющиеся аминокислоты в виде их ФТГ-производных.

Реакции аминокислот по карбоксильной группе

Аминокислоты образуют сложные эфиры, реагируя с избытком спирта в присутствии HCl, как катализатора. Реакция протекает в спиртовой среде, а образующийся сложный эфир в виде соли выпадает в осадок. Действуя более сильными основаниями на аммониевую соль сложного эфира, можно выделить сложный эфир в свободном виде:

Образование сложных эфиров используется для защиты карбоксильной группы при синтезе пептидов.

Карбоксильная группа аминокислот может быть превращена в ангидридную или галогенангидридную группу, но при проведении этих реакций необходимо предварительно защитить аминогруппу:

Превращение карбоксильной группы в более реакционные ангидридную или галогенангидридную группы используют для активации карбоксильной группы при синтезе белков и пептидов.

Избыток аминокислот в организме уменьшается не только за счет реакций дезаминирования, но и в результате реакций декарбоксилирования. Декарбоксилирование a-аминокислот протекает легко, что объясняется наличием у a-углеродного атома двух электроноакцепторных заместителей (NH₂^— и СООН-группы). Вне организма (in vitro) декарбоксилирование происходит при нагревании аминокислот в присутствии щелочей, в организме (in vivo) – с участием ферментов – декарбоксилаз, приводя к образованию биогенных аминов:

Стратегия пептидного синтеза

Пептиды и белки часто представляют как результат реакции поликонденсации a-аминокислот. В действительности же, на практике реакцию поликонденсации не используют, так как даже при синтезе дипептидов этим способом возникают проблемы с аминокислотной последовательностью и выходом нужного дипептида.

При взаимодействии двух разных аминокислот образуются семь дипептидов (без учета трипептидов, тетрапептидов и т.д.), разных по строению и аминокислотной последовательности, что существенно уменьшает количество нужного продукта.

Образование пептидной связи не представляет проблемы – пептидные связи легко образуются при взаимодействии амина или аминокислоты с активированной карбоксильной группой (ангидридной или галогенангидридной) другого соединения. Проблема в синтезе белков и пептидов заключается в получении пептида или белка с нужной аминокислотной последовательностью. Чтобы преодолеть эти трудности, пептид синтезируют по стадиям, на каждой из которых приходится защищать (блокировать) одни функциональные группы и активировать другие. Активными должны быть функциональные группы, участвующие в образовании нужной амидной связи – карбоксильная группа одной молекулы с защищенной аминогруппой и аминогруппа другой молекулы с защищенной карбоксильной группой. Для защиты карбоксильной группы обычно используют ее перевод в сложный эфир, так как сложные эфиры легче гидролизуются, чем амиды, а удалить защитную группу можно, не затрагивая пептидную связь. Для защиты аминогруппы используют ее превращение в особые типы амидов, которые можно разрушать (снимать защиту) в условиях, в которых пептидные и амидные связи не затрагиваются. Для активации карбоксильной группы используют ее превращение в галогенангидридную группу или в смешанный ангидрид. Если боковые цепи аминокислот содержат реакционные функциональные группы, их также надо защищать.

Рассмотрим стратегию пептидного синтеза на примере образования аланилглицина.

Для получения такой последовательности соединения аминокислот необходимо:

1) защитить аминогруппу аланина, превратив ее в менее реакционно- способную амидную группу действием карбобезоксихлорида:

2) активировать карбоксильную группу аланина, содержащего защищенную аминогруппу, превратив ее в смешанный ангидрид действием этилхлорформиата:

3) защитить карбоксильную группу глицина, переведя ее в сложноэфирную:

4) провести реакциию образования пептида:

5) удалить защитные группы в полученном дипептиде; карбобензокси-группа удаляется гидрированием, сложноэфирная группировка удаляется действием растворов щелочей:

Основной интерес химиков и биологов сосредоточен на установлении взаимосвязи строения и функции белка. Пептиды и белки могут содержать в молекуле как основные (-NH₂, -СОО^—), так и кислотные (-NH₃ , -СООН) функциональные группы, расположенные на конце полиамидной цепи, либо включенные в полифункциональные аминокислоты. Общий заряд на молекуле меняется в зависимости от рН среды точно так же, как и в случае аминокислот. Так, при низких значениях рН молекула белка имеет положительный заряд, в то время как при высоких значениях рН на молекуле возникает отрицательный заряд. Неудивительно, что свойства белковых растворов заметно меняются при переходе через изоэлектрическую точку, поскольку сольватация или взаимодействие с соседними белковыми молекулами зависят, вероятно, и от распределения заряда на поверхности молекулы, и от ее суммарного заряда. Вязкость раствора желатина проходит через минимум при рН = 4,7 (изоэлектрическая точка), растворимость инсулина и казеина – наименьшая в их изоэлектрических точках (5,3 и 4,7, соответственно). Зависимость суммарного электрического заряда на полипептиде или белке от значения рН среды используется для разделения белков с помощью электрофореза.

Известно, что активность многих ферментов зависит от рН среды и достигает максимума при его определенном значении. Считается, что ферменты адсорбируют субстраты на особой части молекулы, называемой «активный центр». Изменение рН приводит к перераспределению зарядов на молекуле, что, в свою очередь, меняет ее гидратацию либо за счет изменения числа групп, связанных водородными связями, либо из-за разной степени ассоциации молекул воды вокруг белковой молекулы, осуществляемой в результате взаимодействия с заряженными участками. Кроме того, сами рецепторные группы активного центра фермента, присоединяющие субстрат, в зависимости от рН могут находиться в протонированном или депротонированном состояниях. Все перечисленные эффекты могут снижать легкость адсорбции ферментом своего особого субстрата, тем самым уменьшая его каталитическую активность.

На биологическую активность белков влияет не только среда; их функции существенным образом зависят от их строения. Обычно структурные особенности белков разделяют на несколько категорий. Первичная структура белка – это последовательность аминокислотных остатков в цепи, которая устанавливается с помощью химических методов анализа. Цепь может сворачиваться в спираль или принимать особую форму за счет образования водородных связей между амидными группами. Эта особенность структуры белка, являющаяся результатом взаимодействия между амидными (пептидными) связями, называется вторичной структурой. Дальнейшее свертывание вторичной структуры является результатом взаимодействия функциональных групп боковых цепей аминокислот (-SH, -NH₂, -ОН, -СООН и т.д.), что и составляет третичную структуру. Таким образом, вторичная и третичная структура представляют собой упорядоченное расположение полипептидной цепи в пространстве. Однако вторичная структура закрепляется за счет водородных связей между пептидными группами, а третичная – за счет электростатических и гидрофобных взаимодействий. Белки могут обладать четвертичной структурой, обусловленной взаимодействием нескольких белковых молекул, приводящим к образованию групп или пучков молекул, которые могут обладать высокой степенью симметрии. Эти образования иногда можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

Многие полипетиды и белки исследовались с помощью рентгеноструктурного анализа. При этом были подтверждены некоторые характерные особенности их структуры. Наиболее часто встречаются два типа организованной вторичной структуры, хотя нередко молекулы белков имеют беспорядочное строение. В a-форме полиамидная цепь свернута в спираль, в которой расположенные рядом витки соединяются за счет водородных связей между соседними амидными группами. Спираль имеет правое вращение, при этом объемные боковые цепи L-аминокислот направлены от центра спирали.

В b-структуре полиамидные цепи располагаются рядом в антипараллельном положении, образуя слой полипептидных цепей, связанных между собой водородными связями. При таком строении боковые цепи полипептидных молекул лежат попеременно над и под плоскостью слоя.

Участки b-структуры могут образоваться и внутри одной белковой молекулы за счет складывания свернутой полипептидной цепи. Белки, имеющие развернутую b-структуру (например, фиброин шелка), растягиваются с трудом, поскольку полипептидные цепи уже полностью вытянуты, тогда как белки с преобладающей a-структурой (например, волосы, шерсть) – эластичны, так как механическое напряжение в этом случае снимается за счет превращения спиралевидной полипептидной цепи в растянутую конформацию b-структуры.

Третичная структура белков, обусловленная взаимодействием боковых цепей аминокислот, не приводит к такой высокой упорядоченности структуры, как в предыдущем случае. Помимо водородных связей, важным фактором стабилизации третичной структуры является образование дисульфидных связей. Третичная структура часто придает белковой молекуле такую конформацию, при которой гидрофильные группы расположены на поверхности молекулы, а гидрофобные группы направлены внутрь, к центру молекулы.

Четвертичная структура белков варьируется очень широко. Например, общей формой четвертичной структуры обладают волокнистые белки (волосы, шерсть). Эта структура состоит из шести белковых цепей, каждая из которых имеет форму a-спирали, закрученной вокруг центральной спиралеобразной белковой молекулы. В результате образуется веревкообразная структура.

Биологическая активность белков нередко тесно связана с высокой организацией структуры, и живые организмы синтезируют белки требуемой конформации, которая часто оказывается метастабильной (не самой устойчивой из всех возможных структур). Под влиянием нагревания, изменения значений рН, химических реагентов, ультрафиолетового света и других воздействий белки часто теряют свою биологически необходимую конформацию, превращаясь в случайные неорганизованные структурные единицы и утрачивая свою биологическую активность. Такой процесс называется денатурацией. Денатурация оказывает особо глубокий эффект на активность ферментов. По этой причине моющие порошки, содержащие ферменты, лучше всего применять при низкой температуре, так как при высокой температуре прежде всего проявляется действие входящих в их состав детергентов.

ЛЕКЦИЯ № 13

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) представляют собой макромолекулы кислотного характера, содержащиеся в основном в ядре клетки, но также встречающиеся в цитоплазме. Углеводы и белки представляют собой материал для построения живых систем и их жизнедеятельности, в то время как нуклеиновые кислоты служат источником генетической информации, направляющей все эти процессы. Соединясь с белками, нуклеиновые кислоты образуют нуклеопротеины. Установлено, что вирусы, которые в некоторых случаях можно выделить в кристаллическом виде, являются большими нуклеопротеинами.

Гидролиз нуклеиновых кислот дает три типа продуктов: фосфорную кислоту, углевод (рибоза или дезоксирибоза) и группу азотистых оснований (урацил, тимин, цитозин, аденин, гуанин). ДНК и РНК отличаются по строению моносахарида, входящего в состав нуклеиновых кислот – в состав ДНК входит дезоксирибоза, в состав РНК – рибоза:

Существуют также некоторые различия в азотистых основаниях, входящих в состав нуклеиновых кислот: аденин, гуанин, цитозин образуются при гидролизе и ДНК, и РНК, в качестве четвертого основания ДНК содержат тимин, РНК – урацил. Урацил, тимин и цитозин представляют собой производные пиримидина:

Аденин и гуанин являются производными пурина:

Для кислородсодержащих азотистых оснований характерна лактам-лактимная таутомерия, а для пуриновых оснований – прототропная:

В нуклеиновых кислотах каждое азотистое основание связано через атом азота N-гликозидной связью с аномерным атомом углерода рибозы или дезоксирибозы. При этом нужно отметить, что всегда образуется b-гликозидная связь. Этот блок – углевод-азотистое основание – называется нуклеозидом.

При названии нуклеозидов у азотистых оснований пиримидинового ряда окончания заменяют на —идин, у оснований пуринового ряда – на окончание —озин.

Кроме того, нуклеозиды, образованные с участием дезоксирибозы, получают приставку дезокси.

Так как тимин входит в состав только ДНК, в виде исключения нуклеозид, образуемый им и дезоксирибозой, называют тимидин, а не дезокситимидин.

Нуклеозиды являются N-гликозидами, и как гликозиды (ацетали), подвергаются гидролизу в кислой среде, но устойчивы к гидролизу в слабощелочных средах ( в сильно щелочной среде происходит не гидролиз, а разрушение гетероциклов).

Нуклеозиды за счет гидроксильных групп рибозы или дезоксирибозы могут реагировать с кислородсодержащими кислотами с образованием сложных эфиров. Эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты называются нуклеотидами. Сложноэфирная связь может образовываться между остатком фосфорной кислоты и гидроксильной группой в положении 5¢- или 3¢-рибозы или дезоксирибозы. Названия нуклеотидам дают либо как сложным эфирам фосфорной кислоты, либо как кислотам, так как остаток фосфорной кислоты содержит гидроксильные группы, за счет которых нуклеотиды могут выступать в качестве кислот.

В названии нуклеотидов, как эфиров, сначала называется нуклеозид, затем указывается положение остатка фосфорной кислоты (3¢ или 5¢) и добавляется название кислотного остатка – фосфат. В названиях нуклеотидов как кислот сначала указывают положение сложноэфирной связи (3¢ или 5¢), затем идет название азотистого основания с добавлением окончания «овая кислота»:

Существуют нуклеотиды, в которых две гидроксильные группы (в положениях 3¢ и 5¢) этерифицированы фосфорной кислотой. Такие нуклеотиды называют циклофосфатами. Почти во всех клетках имеются два циклофосфата – цАМФ и цГМФ.

Циклофосфаты участвуют в регуляции внутриклеточных процессов, способны превращать ряд инертных белков в ферменты.

Как сложные эфиры, нуклеотиды подвергаются гидролизу как под действием кислот, так и под действием щелочей. При щелочном гидролизе образуются соль фосфорной кислоты и нуклеозид (гликозидная связь не подвергается щелочному гидролизу), при кислотном гидролизе получаются фосфорная кислота, углевод и азотистое основание.

ДНК и РНК построены по общему принципу: мононуклеотиды соединены в нуклеиновых кислотах за счет остатков фосфорной кислоты, связывающей 5-й атом углерода рибозы или дезоксирибозы одного мононуклеотида с 3-м атомом углерода другого мононуклеотида, т.е нуклеиновые кислоты представляют собой полиэфиры N-гликозидов – нуклеозидов.

Как видно из примера образования тринуклеотида, полимерная цепь нуклеиновых кислот состоит из чередующихся углеводных и пентозных остатков, а азотистые основания являются «боковыми группами», присоединенными к остатку моносахарида. В нуклеиновых кислотах выделяют 5¢-конец, на котором находится остаток фосфорной кислоты, образующий только одну сложноэфирную связь с гидроксильной группой в положении 5¢-моносахарида (этот конец цепи обозначают в сокращенной записи буквой «ф»), и 3¢-конец, на котором находится свободная гидроксильная группа в положении 3¢-моносахарида. Последовательность нуклеотидных звеньев в приведенном примере можно записать в сокращенном виде следующим образом: фдАфдТфдЦ. Буква ф ставится справа от нуклеотида, если он этерифицирован по гидроксильной группе третьего атома углерода моносахарида, если нуклеотид образует сложноэфирную связь за счет пятого атома углерода в моносахариде, то буква ф ставится слева. Последовательность нуклеотидных звеньев в цепи ДНК или РНК называется первичной структурой.

Пространственная организация полинуклеотидной цепи называется вторичной структурой. Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух переплетенных цепей ДНК. В полный виток каждой спирали укладывается около десяти нуклеотидных единиц и две цепи выстраиваются в противоположных направлениях так, чтобы азотистые основания были направлены внутрь двойной спирали. Причем, остаток тимина в одной цепи образует всегда водородные связи с остатком аденина другой цепи, а остаток цитозина – с остатком гуанина. Это подтверждается данными гидролиза, которые показывают, что в ДНК соотношение тимин:аденин и цитозин:гуанин равно 1:1. Эти основания называют комплементарными. Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой, т.е. нуклеотидная последовательность одной цепи определяет первичную структуру второй цепи.

Между остатками аденина и тимина образуются две водородные связи, между остатками гуанина и цитозина – три. Водородные связи между комплементарными основаниями являются одним из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль.

Клетки живого организма постоянно делятся. Когда происходит деление клетки, необходимо точное воспроизведение молекулы ДНК. Этот процесс называется репликацией и происходит следующим образом. Две цепи двойной спирали начинают разделяться и на каждой из первоначальных цепей идет биосинтез новой цепи с учетом комплементарности азотистых оснований. Вновь образованные цепи не идентичны, но комплементарны исходным цепям, служившим им матрицей. В итоге получаются две новые двойные спирали, состоящие из одной синтезированной и одной матричной цепей. Подобным образом на деспирализованной цепи ДНК идет образование матричной РНК, которая затем сама является матрицей для биосинтеза белка. Генетическая информация записана в нуклеотидной последовательности в ДНК. Изменение нуклеотидной последовательности в ДНК приведет к изменению нуклеотидной последовательности в м-РНК, а это может привести к изменению аминокислотного состава синтезируемого белка. Такое изменение ДНК называется мутацией. Накопление мутаций приводит к возрастанию числа ошибок в биосинтезе белка. Последствия мутаций иногда помогает избежать вырожденность генетического кода, в результате чего многие мутации, например изменение последнего основания в кодоне, не изменяют аминокислотного состава белка, т.е происходит кодирование тех же аминокислот или аминокислот с похожей боковой цепью. Однако изменение даже одного основания в ДНК может иметь и серьезные последствия. Так, например, у больных серповидноклеточной анемией гемоглобин менее растворим, чем нормальный, и осаждается в тонких кровеносных сосудах, вызывая сильную боль. Такой аномальный гемоглобин разрушается селезенкой, что приводит к анемии. Оказалось, что серповидноклеточная анемия вызвана изменением одного азотистого основания в ДНК, в результате чего м-РНК вместо глутаминовой кислоты кодирует валин, который далее включается в состав гемоглобина, что и приводит к образованию аномального гемоглобина с особыми свойствами.

Мутации также могут быть обусловлены случайными ошибками при копировании ДНК при подготовке клетки к делению; кроме того, они могут быть вызваны действием химических препаратов и различными излучениями (ионизирующими и неионизирующими, корпускулярными и некорпускулярными).

Большое количество соединений обладает мутагенными свойствами, среди них широко известны азотистая кислота, гидроксиламин, различные алкилирующие агенты – N-нитрозо-N-этилмочевина, серные, азотистые иприты и др.

Действие азотистой кислоты приводит к дезаминированию азотистых оснований:

Аденин превращается в гипоксантин, гуанин – в ксантин, цитозин – в урацил (на тимин HNO₂ не действует). Это приводит к замене в ДНК комплементарных пар оснований, так как аденин комплементарен тимину, а гипоксантин образует комплементарную пару с цитозином, цитозин комплементарен гуанину, а урацил образует комплементарную пару с аденином.

Действие гидроксиламина сводится главным образом к реакции с цитозином – в нейтральных и слабокислых средах образуется производное, которое комплементируется с аденином.

Многие алкилирующие соединения обладают выраженным мутагенным действием. Для соединений этого типа характерна реакция алкилирования по седьмому атому азота гуанина, в результате протекания которой может происходить отщепление азотистого основания от остатка дезоксирибозы.

Велико также значение реакций алкилирования оснований, не сопровождающихся выщеплением их из ДНК. Такие процессы происходят при алкилировании аденина по первому и третьему атомам азота, тимина – по первому атому азота и т.д. Эти процессы существенно искажают комплементирование оснований при синтезе ДНК. Для ипритов, помимо описанных выше реакций, характерно также образование мостиков между азотистыми основаниями, сшивающих либо разные цепи ДНК, либо основания одной цепи. Возможно образование сшивок ДНК-белок. Именно эта группа алкилирующих агентов часто вызывает хромосомные перестройки.

Излучения являются мутагенным фактором со сложным механизмом действия. В зависимости от природы излучения ведущие механизмы могут быть различными, однако ни в одном случае не удается объяснить наблюдаемые эффекты каким-то одним типом реакций.

Для ионизирующих излучений характерно не только прямое воздействие на ДНК (первичное), но и непрямое, состоящее в ионизации других молекул, особенно воды, с образованием свободных радикалов, которые далее воздействуют на ДНК. Свободные радикалы могут вызывать, во-первых, различные окислительные процессы, в число которых входит дезаминирование, гидроксилирование цитозина, тимина, аденина, образование гидроперекисей тимина и, наконец, окисление остатка дезоксирибозы. Во-вторых, реакции окисления сочетаются с разрывами пиримидиновых и в меньшей степени пуриновых циклов, разрывами связей между дезоксирибозой и остатком фосфорной кислоты, дезоксирибозой и основаниями, разрывом связей углерод-углерод в самой дезоксирибозе.

Ультрафиолетовое излучение, относящееся к некорпускулярным излучениям, хотя обладает низкой проникающей способностью, также является мутагенным фактором. Кванты УФ-излучения поглощаются нуклеиновыми кислотами, что приводит к переходу молекул в возбужденное состояние, повышению их реакционной способности и протеканию реакций, приводящих к повреждению оснований. Особое значение приобретает эффект образования димеров тимина:

В неденатурированных участках молекулы ДНК димеризация происходит лишь между соседними остатками тимина одной цепи. Тиминовые димеры располагаются вдоль цепи ДНК не случайным образом, а группируются так, что на небольшом участке цепи ДНК сосредотачивается в среднем по 6 димеров. Этого достаточно, чтобы создать препятствия при репликации и спровоцировать либо выпадение целых участков, либо искажение транскрипции.

Рекомендуемая литература

Основная литература

1. Овчинников Ю.А. «Биоорганическая химия».- М., 1987 г.

2. Романовский И.В. «Основы биоорганической химии».- Мн.,1999 г.

3. «Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии». – Под редакцией Н.А. Тюкавкиной.- М., 1999 г.

4. «Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии». Под редакцией Н.А. Тюкавкиной.- М., 1985 г.

5. «Руководство к практикуму по биоорганической химии». Под редакцией И.В.Романовского. – Мн., 2003 г.

6. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. «Биоорганическая химии».- М., 1991 г.

Дополнительная литература

7. Николаев А.Я. «Биологическая химия». – М., 1989 г.

8. Потапов В.М. «Стереохимия». – М., 1988 г.

9. Тейлор Г. «Основы органической химии».- М., «Мир». – 1989 г.

10. Терней А. «Современная органическая химия». – М., 1981 г.

Содержание

Учебное издание

Павловский Николай Дмитриевич

ЛЕКЦИИ ПО БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Пособие

Ответственный за выпуск В.В.Воробьев

Компьютерная верстка А.В.Яроцкая

Корректор Л.С.Засельская

Подписано в печать 08.12.2022. Формат 60х84/16. Бумага офсетная.

Гарнитура Arial Narrow. Ризография.

Усл. печ. л. 11,6. Уч.-изд. л. 7,1. Тираж 99экз. Заказ 231.

Издатель и полиграфическое исполнение

учреждение образования

«Гродненский государственный медицинский университет».

ЛИ № 02330/0548511 от 16.06.2009. Ул. Горького, 80, 230009, Гродно.