Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Биоорганическая химия. Справочник, словарь

.pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
05.03.2021
Размер:
3.2 Mб
Скачать

В организме человека а-кетоглутаровая кислотаполучается в цикле Кребса

также из глутаминовой аминокислоты в процессе окислительного дезаминирования.

Ключевая кетокислота в реакциях трансаминирования природных аминокислот (см. также Оксокислоты) .

а-аминокислота +а -кетоглутарат———>а-кетокислота +глутамат

Кетоенольная таутомерия. Вид структурной динамической изомерии. Означает, что химическое соединение может существовать в нескольких формах: кетоновой иенольных ,которые находятся в динамическом равновесии.

Образование енольной формы связано с перемещением атома водорода из соседнего СН-кислотного центра к более электроотрицательному атому кислорода.

Соединение в енольной форме относится к НО -кислотам в соответствии с теорией Бренстеда-Лоури. В енольной форме всегда возникает сопряженная система по типу π, р. Чем длиннее сформируется цепь сопряжения, тем устойчивее и термодинамически выгоднее енольная форма (по сравнению с другими).

 

кето-форма

енольная форма

 

| б+

|

С—

<— С —

— С = С —

| |

|

|

б- О

Н б+

:O H

 

СН-кислотный

возникает тип

 

центр

сопряжения π

В биологических системах фосфорные эфиры енольных форм могут выступать в роли макроэргических соединений. Кето-енольная таутомерия возможна у биоактивных соединений уксусного альдегида, ацетона, ацетоуксусной, пировиноградной,щавелево-уксусной кислот. (см.Пировиноградная кислота)

Кетоновые тела.

Термин объединяет биологически активные вещества

организма,

которые

образуются

в норме и накапливаются при патологических

состояниях

(при

длительном

голодании,

при несоблюдении больным

инсулинозависимымдиабетом

диеты и лечения).

При повышенном содержании

вкрови (кетонемии) выделяются с мочой (кетонурия). Физиологическими

кетоновыми телами являются β -гидроксимаслянаякислота и β -оксомасляная кислота (ацетоуксусная). В случае развития патологического процесса появляется третий компонент ацетон - нейротоксичное соединение. Обязательно проводят диагностику кетоновых тел в моче больного при подозрении на их образование (йодоформная проба –на все кетоновые тела и нитропруссидная пробана ацетон). (см.Кетокислоты .Ацетоуксусная кислота Качественные реакции)

91

Кефалин (фосфатидилэтаноламин). Твердое, гигроскопичное вещество, на воздухе быстро темнеет из-за аутоокисления. Растворим в этаноле, хлороформе,

бензине. Амфифильное

и

амфотерное соединение, в кислой среде и близкой к

нейтральной-биполярный

 

 

 

ион,при рН>7преобладает

отрицательный заряд.

Представитель L-

фосфолипидов,

отличается

от других наличием спирта

коламина (2аминоэтанола- -1)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H2C

 

O

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

R2

 

 

C

 

O

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H2C

 

 

O

 

 

P

 

 

 

O

 

CH2CH2NH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH

 

Доля от общих фосфолипидов организма человека около 25%, содержится в мембранах клеток,в составе липопротеинов крови.

Кислота (теория БренстедаЛоури). Органическое соединение, способное реально или теоретически к отщеплению протона Н +. Кислота при удалении протона превращается в сопряженное основание, основание после присоединения протона - в сопряженную кислоту.

Н

А

+ В

А - +

ВН+

кислота

 

основание

сопряженное сопряженная

 

 

 

основание

кислота

Кислота Н -А

(А- сокращение от англ. acid

) содержит поляризованную связь.

Атом водорода связан с более электроотрицательными атомами: кислородом, азотом, галогенами, серой, углеродом. Чем больше электроотрицательность атома,тем сильнее поляризована связь. Выделяют несколько типов кислот в ависимости от природы кислотного центра: НОкислоты, HS-кислоты, NHкислоты , СН-кислоты.

В группу ОН-

кислот входят карбоновые кислоты R- СООН, фенолы Аг-ОН,

спирты

R-ОН. В

ряду названных соединений

кислотные свойства убывают. Силу

кислоты

НХ в воде,т

.е.степень ее диссоциации,можно

определить,рассматривая равновесие:

 

 

Н2О + Н- Х

Н3О+ + Х-

 

Константа равновесия выражается уравнением:

 

 

 

[

Н3О+ ] [ Х- ]

 

 

 

 

Ка

=-

---------------------

 

 

 

 

 

[ Н-Х ]

 

 

 

92

Обычно пользуются величинойрК а = -lg Ка .Чем больше кислотные свойства, тем меньше значение величины рКа. Кислоты, у которых рКа > 7, не изменяют цвета

нейтральной индикаторной бумаги,

если

рК а > 10, то такие вещества не имеют

кислого вкуса. Кислотные свойства зависято

нескольких факторов:

1.

полярности связи кислотном центре

2.

устойчивостиобразующегося

сопряженного основания

3.

природы растворителя

 

 

На полярность связи влияет природа гетероатома и природа заместителя в углеводородном радикале. Полярность связи уменьшается в ряду (при условии одинакового радикала):

R –О –Н > R –НN– > R–S–Н > R–С–Н

Присутствующие в радикале акцепторные заместители всегда увеличивают, а донорные всегда уменьшают кислотные свойства. Поэтому в гомологическом ряду кислотные свойства всегдаубывают .

Устойчивость сопряженного основания зависит от природы радикала: донорные заместители увеличивают величину отрицательного заряда аниона, и этим увеличивают способность присоединять протон – степень диссоциации уменьшается, кислотные свойства убывают. Акцепторные заместители уменьшают величину отрицательного заряда аниона и этим уменьшают способность присоединять протон – степень диссоциации увеличивается,кислотные свойства увеличиваются.

Д

Х -

- Х

А

 

группа донор

кислотныйцентр

группа

акцептор

 

обозначен Х

 

 

 

Способность делокализовать (распределять отрицательный заряд в анионе) носит название поляризуемость атома, она связана с увеличением радиуса атома и наличием свободных электронных орбиталей. Поляризуемость атома серы больше, чем атома кислорода. Поэтому тиолы всегда обладают более сильными кислотными свойствами, чем спирты, так же как сероводород обладает более сильными кислотными свойствами по сравнениюс водой.

Сравнительный ряд изменения кислотных свойств соединений, содержащих различные кислотные центры и одинаковые радикалы:

С2 Н5 СООН >С 2 Н5 S Н >С 2 Н5 О Н >С 2 Н5 NH2

Обратите внимание, что ряд изменения кислотности тиолов, спиртов и аминов не совпадает с рядом изменения полярности связиХ в этих соединениях.

93

Кислоты гомологического ряда СnН22

Муравьиная кислота (метановая кислота) НСООН. Получила свое название от красных муравьев (formica rufa), в организме которых была найдена еще в 17в . Безводная муравьиная кислотапрозрачная, бесцветная жидкость с резким запахом, по запаху можно спутать с уксусной кислотой, на кожу действует разъедающее до образования ожогов, пузырей. Обнаружена в листьях крапивы (отсюда жалящее действие), в хвое, в некоторых фруктах., в организме гусениц. Для организма

человека токсична (ядовита) по нескольким причинам:

является восстановителем,

соединяется с аминогруппами в процессе реакции формилирования и способна

разлагаться с выделением СО-оксида углерода(2), который необратимо связывается с ионами железа в гемоглобине и цитохромах.

Применяется

для

изготовления

лекарственного

средства наружного

применения под

названием« муравьиный

спирт» (spiritus

acidi formici). Состав:

кислоты муравьиной 1часть , спирта этилового 70% 10 частей. Применяют для растираний при невралгиях, миозитах .

Уксусная кислота (этановая кислота) СН3СООН. Безводная кислота затвердевает при Т=160 в кристаллы, похожие на лед, поэтому ее называют «ледяной уксусной кислотой» Чистая уксусная кислота представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с резким запахом, вызывающая ожоги при концентрации более З0 %, а прием вовнутрь вызывает тяжелейшие ожоги пищевода, которые требуют последующей хирургической операции.Распространена во всем растительном и животном мире в свободном состоянии, в виде эфиров и тиоэфиров. Микроорганизмы, грибы, дрожжи обладают способностью превращать углеводы в уксусную кислоту путем уксуснокислого брожения , так получают фруктовый

(яблочный) уксус –слабый

раствор уксусной кислоты. Поэтому уксусная кислота

присутствует в сыре, кислом молоке.

По рассказам Плиния, египетская царица

Клеопатра для поддержания красоты

пила

напиток, полученный

растворением

жемчугав

уксусе (кстати, основу жемчуга составляет карбонат кальция СаСО3 доля

органических соединений

в морском

жемчугедо 14%, а в пресноводномдо

95%, много гуанинаоснования нуклеиновых кислот).

 

В

клетках всех

тканей человека

уксусная кислота

представлена

ацетилкоэнзимом А. Этого соединения нет в зрелых эритроцитах. Этанол,

попадающий в организм

человека в составе лекарственных спиртовых настоек,

превращается в уксусную кислоту или ацетилКоА.

 

Фторуксусная кислота СН2F СООН. Структурный аналог уксусной кислоты,

блокирует реакциицикла

Кребса и поэтому высоко токсичноесоединение

для

организма человека и животных. Физиологическое действие проявляется в поражениях нервной системы и нарушении сердечной деятельности вплоть до

летального

исхода. Калиевая

соль является токсическим началом

ряда ядовитых

растений,

произрастающих

в Африке (присутствие галогенов в

биологически

 

 

94

 

активных природных соединениях –весьма редкое явление!) Бариевая соль фторуксусной кислотыодно из самых активных средств в борьбе с грызунами, а 5мг кислоты на 1кг массы растений полностью уничтожает тлю, поразившую эти растения.

Масляная кислота (н- бутановая кислота) СН3СН2СН2СООН. Представляет собой жидкость, обладающую резким запахом, а в разбавленном состояниинеприятным запахом пота. Смешивается с водой в любых отношениях. В виде глицеринового эфира содержится в коровьем молоке, сливочном масле, образуется как промежуточный продукт в процессе биохимических реакций окисления карбоновых кислот с большим числом атомов углерода. Образуется в различных бактериальных процессах брожения из углеводов (маслянокислое брожение ) и содержится продуктах питания (квашеная капуста, лимбургский сыр), небольшие количества выделяются в составе пота человека.

Валериановые кислоты С4Н9СООН(4изомера ). Изовалериановая-3- метилбутановая кислота - в значительных количествах содержится в корне валерианы, а ее эфиры- в различных эфирных маслах. Соли и эфиры этой кислоты называют изовалераты.

СН 3 – СН– СН 2 – СООН

|

СН3

Препараты валерианы уменьшают возбудимость центральной нервной системы, усиливают действие снотворных препаратов, обладают спазмолитическим действием. Их применяют при нервном возбуждении, бессоннице, неврозах, спазмах желудочно-

кишечного тракта. (см.Высшие

карбоновые кислоты).

 

 

 

Классификация биоорганических соединений.

Систематизация веществ по

родственным

структурным

признакам:

а)

по строению

углеродного

скелета,

б)по функциональным группам,в)смешанная(по

сочетанию признаков а и б).

Возможна

классификация

по

признаку

молекулярной

массы:

низкомолекулярные,высокомолекулярные (полимеры)

 

 

 

 

Классификация по строению углеродного скелета:

 

*ациклические

 

 

 

 

*

циклические

 

линейные,разветвленные

 

 

карбоциклические, гетероциклические

(насыщенные,ненасыщенные)

(насыщенные,ненасыщенные,ароматические)

Внутри каждого класса возможно дальнейшее подразделение.Среди гетероциклических соединений выделяют:

а)размер цикла,

б)природу гетероатомов

95

Например, пятичленные ароматические гетероциклические соединения азотсодержащие -пиррол ,имидазол,кислородсодержащий- фуран.

Классификация по функциональной группе Карбоновые кислоты, Карбонильные соединения (альдегиды,кетоны), Спирты(одно ,многоатомные)

Фенолы

Соединения со смешанными функциями:

Гидроксикислоты

Оксокислоты

Аминокислоты

Углеводы

Кодеин С18 Н21NO3.

Твердое кристаллическое вещество. Монометиловый эфир

морфина,

метилирована фенольная ОН группа, поэтому он не растворим в щелочах

ОткрытРобике

в

1832г.

Получают из высохшего

на воздухе

млечного

сока

несозревших плодов снотворного мака.

По характеру действия близок морфину, но

его болеутоляющее

действие

выражено слабее: основной фармакологический

эффект заключается в торможении кашлевого центра,

купирует приступы кашля.

При длительном

применении

возникает привыкание,

тяжелая

наркотическая

зависимо.(смть.Морфин

)

 

 

 

 

 

 

Коламин (2-аминоэтанол-1) С2Н7NO.Аминоспирт

, бесцветная гигроскопичная

жидкость. Растворим в воде,

этаноле, эфире, хлороформе. Основные свойства,

образует соли с кислотами, из воздуха поглощает СО2 .В организмеполучается

при

декарбоксилированииаминокислоты

серина (в составе фермента декарбоксилазы

витаминВ

6).

 

 

 

 

 

 

 

 

СН2(ОН) – СН(NН2) -СООН —фермент,вит.В6—> НО-СН 2 – СН2

-NН2 +СО 2

 

серин

 

 

 

 

 

коламин

 

Промежуточное вещество в синтезе холина, входит в состав

фосфатидилэтаноламина-фосфолипида

 

кефалина.

 

 

 

Количественный анализ биоорганических соединений.

Определение

содержания веществ в составе

смесей,

биологических жидкостей, гомогенате тканей.

В последнем случае экстрагируют вещества и далее используют экстракт. Находят массу вещества в определенном объеме( г/ мл, мг %-масса вещества в объеме100 мл) или рассчитывают концентрацию вещества( моль/л, ммоль/л, мкмоль/л). Используют

классические приемы аналитической химии:

титрование,

осаждение и весовой

анализ. Наиболее перспективными являются

оптические,

хроматографические,

96

 

 

полярографические, поляриметрические, ферментативные методы , которые могут

требовать использования

одновременно стандартного контрольного раствора

(с известнойконцентрацией

исследуемого вещества).

Отсутствие стандарта является

часто препятствием к проведению количественного анализа.

 

Коллаген. Следует

различать

два разных, но сходных в названии понятия:

белок коллаген и коллагеновые белки.

Белок коллагенсодержит

примерно по составу

33% глицина, 20%- пролина и гидроксипролина,

до 15 % лизина и гидроксилизина,

11 % аланина. В нем мало ароматических аминокислот, нет серусодержащих. Общая последовательность аминокислот в первичной цепи – (гли- Х- У- )n—Образует.

плотно свернутую левую спираль. Три таких спирали формируют правую трехцепочечную спираль тропоколлагена. Размер «палочки» тропоколлагена 1,5х280 нм. Из тропоколлагена формируется коллагеновый белок, в настоящее время изучено 19 различных видов, которые имеют различную пространственную организацию( линейную, сетчатую и другие). Коллаген - основной белок соединительной ткани, располагается во внеклеточном матриксе, входит в состав базальной мембраны, находится в стенках крупных сосудов.

σ- Комплекс (см.Карбокатион ).

π–Комплекс . Соединение или промежуточная частица, в которой связь между акцептором электронов и донором электронов осуществляется за счет π - электронов донора. В биоорганических реакциях образуются в реакциях электрофильного присоединения к двойной связи алкенов и в реакциях электрофильного замещения в ароматических соединениях. В реакциях АЕ+ акцептором является электрофильная частица протон, а донором-электроны двойной связи. В реакцияхS Е+ акцептором являются различные электрофилы (катионы галогена, нитроний, сульфоний, карбокатион),а донором -ароматическая система (см.Механизмы реакций).

Комплементарные пары (лат.

complementum

средство пополнения).

В биоорганической химии, молекулярной

биологии,

биохимии –пары азотистых

оснований, которые образуют между собой водородные связи: две между тимином и аденином, три – между цитозином и гуанином. Правило Чаргаффа отражает их существование Компоненты пары стабилизируют вторичную структуру ДНК, принадлежат разным цепям двойной спирали, располагаются внутри спирали почти

перпендикулярно ее оси. Взаимодействозникаетие

за

счет водородных связей

в комплементарных парах между полярными группамиСО…NH

или пиррольным

и пиридиновыми атомами. Комплементарные пары А.-Т,

Г-.Ц

присутствуют в

момент репликации ДНК между материнской и

дочерней

цепями (прямая

транскрипция ДНК-иРНК, обратная транскрипция РНК-ДНК), в процессе трансляции на рибосоме между иРНК и антикодономтРНК.

97

Рис.1 Двойная спираль ДНК и комплементарные пары

Константа кислотности (см.Кислота . теория Бренстеда-Лоури).

Константа основности (см.Основание .Теория Бренстеда-Лоури).

Конфигурация. Определенное расположение атомов в пространстве, понятие стереохимии, используемое для характеристики пространственной организации органической молекулы. Конфигурация создается благодаря направленному

расположению орбиталейвалентных

электронов атомов.

 

 

Тетраэдрическое направление связей

характерн о для гибридизация sp3, угол

между связями 1090

28,может

сопровождаться

возникновением оптической

(зеркальной)

изомерии. Тригональное плоскостное направление связей, гибридизация

sp,

угол

между

связями

1200

объясняет

наличие

геометрической,

цис-транс-изомерии. Гибридизация sр, угол между связями 1800, создает дигональное, линейное направление связей. Все биологически активные классы природных соединений: аминокислоты, белки, углеводы, гидроксикислоты, липиды , многие лекарственные препараты, имеют пространственное строение, определенную

конфигурацию.

От нее зависит способность

этих веществ связываться

с рецепторами,

превращаться в биохимических

реакциях с участием белков-

ферментов,транспортироваться через мембраны.

 

Конфигурация абсолютная - реальное расположение заместителей относительно определенного центра в пространстве. Изучение и определение конформации возможно несколькими независимыми методами: синтетическими, рентгенографическими, расчетными .

98

Конфигурация относительная – оценивается с привлечением веществ, принятых за стандарт (стандарт выбран произвольно, например, один их двух

стереоизомеров глицеринового альдегида

условно приняли за D-изомер, а другой –

за L-изомер).

Синтетическими методами изучаемое вещество надо превратить

в стандартное

(следует

избегать реакций,

затрагивающих

интересующий нас

асимметрический центр).

Условный

стереоряд стандарта

определит стереоряд

исследуемого вещества.

 

 

 

 

Конформация– определённая геометрия молекулы. Возникает за счёт поворота частей молекулы вокруг σ - связи. Конформация одного соединения отличается от другого степенью поворота вокруг одной или нескольких σ -связей

Молекула может иметь несколько конформаций, которые непрерывно переходят друг в друга вследствие непрерывного вращения атомов относительно одинарных связей. Конформационные изменения можно назвать «поворотной» изомерией.

Конформации отличаются по энергетическому состоянию. В наиболее устойчивой, энергетически выгодной, молекула находится более длительное время, но в результате столкновений с другими молекулами ее конформация изменяется, а затем вновь возвращается в более устойчивое состояние. см( . Пространственная изомерия, Стереоизомерия,Проекции Ньюмена).

Молекула циклогексана

Шестичленные неароматические циклы (циклогексан, пирановый

цикл в

углеводах могут иметь одну неустойчивую конформацию«

твист» (II),

две более

устойчивые конформации«

ванна» (III) и « кресло»

(I), последняя

наиболее

энергетическивыгодная

.

 

 

 

Конформер. Молекула в стабильной конформации, соответствует энергетическому минимуму на энергетической кривой (заторможенная конформация, пример:конформация «кресло» циклогексана).

Кофеин С8Н10О2N4. Относят к группе алкалоидов. Впервые выделен в 1819 г Кристаллическое вещество, растворим в воде(1: 80 при Т150 С, 1 : 2 при Т 1000 С), умеренно в спирте, хлороформе, эфире. Растворимость повышается в присутствии

некоторых солей,

например, бензоата натрия, образующих с ним

двойное

соединение. По этой именно причинераспространенный

лекарственный

препарат

кофеина имеет состав «кофеин-бензоат натрия». Кофеиночень слабое основание,

дает неустойчивые

соли с кислотами. Содержится в листьях чая, зернах кофе

(1- 3%), орехах кола,.

В настоящее время получают синтетическим путем.

 

99

 

 

 

 

O

 

CH3

 

 

 

 

H3C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

O

 

N

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

Токсическая доза составляет от 5до

10г,

вызывает

сильноедвигательное

и эмоциональное возбуждение , которые

могут закончиться судорогами. В

организме

подвергается деметилированию, сначала превращается в ксантин,

а затем

в мочевую кислоту.

В течение 6часов

разрушается половина введенной дозы.

Отмечено

определенное привыкание

-

«кофеиномания», которая

может

сформироваться при неумеренном употреблении напитков кокакола и различных видов «энерджи». Кофеин применяют в качестве стимулятора сердечно -сосудистой системы. Механизм действия кофеина изучализвестный русский физиолог И.П. Павлов.

Кофермент. Небелковая часть сложного белка-фермента, находится в каталитическом участке активного центра, участвует в осуществлении

биохимической реакции.

Специфичность фермента - выбор субстрата и направления

реакциизависят

от

белковой части фермента (апофермента). Коферментами

являются витамины, нуклеотиды, динуклеотиды, порфириновые молекулы (гемы),

ионы металлов.

Коферменты

 

никотинамидадениннуклеотид

(НАД+)

и

никотинамиддинуклеотидфосфат (НАДФ+).

Динуклеотиды НАД

+,

НАДФ+,

НАДН, НАДФН в окисленной и восстановленной формах

твердые кристаллические

вещества,

очень гигроскопичные, хорошо растворимы в воде. НАД

+ и НАДФ+

разлагаются при

нагревании в воде,под действием ультрафиолета,

а

НАДН и

НАДФН –быстрее

даже при комнатной температуре. Ферментативной активностью

обладают

соединения

только с β-гликозидной связью.

Имеются спектральные

отличия окисленной и восстановленной форм: НАД+ (НАДФ+) λ 260 (230)нм,

НАДН

(НАДФН) λ 259(339)нм

. На этих отличиях основано количественное определение

коферментов в биологических средах и определение кинетики (скоростей) биохимических реакций путем спектрофотометрии.

100