Биоорганическая химия. Справочник, словарь
.pdfС 6Н5 — СН=О +НСN ——С> |
6 Н5 — СН— ОН |
|
|
| |
|
бензальдегид |
С N |
бензоциангидрин |
4. Образование тиополуацеталей |
- присоединение |
тиолов (синонимы - |
тиоспиртов, меркаптанов). Реакция исключительно важна для понимания биохимических процессов с участием ферментов, которые в своем активном центре содержат тиольные группы аминокислоты цистеина.
R—СН=О +Н — SR <=> |
R—СН– ОН |
фермент А N |
| |
|
SR |
|
тиополуацеталь |
Образованиетиополуацеталей in vivo наблюдается в процессе реакций биологического окисления (3-фосфоглиценинового альдегида при образовании 1,3-дифосфоглицериновой кеислоты в гликолизе).
5. Присоединение натрия гидросульфита Используют для очистки альдегидов от посторонних примесей. Продукт присоединения выпадает в осадок в спиртовом или эфирном растворе.Его отделяют,проводят гидролиз,выделяется чистый альдегид
R—СН=О + NаНSО3 <=> RСН—— О Н
|
SО3 – Nа+
6.Взаимодействие с аминами и гидразинами - образование азометинов (синоним - основания Шиффа) и гидразонов. В процессе взаимодействия
карбонильных соединений с аминами и гидразинами вначалепроисходит |
реакция |
|
АN, затем промежуточное вещество подвергается элиминированию |
воды и |
|
получается азометин.Процесс можно обозначить (АN –Е ). |
|
|
R1—СН =О + NH2 – R2 <=> R1 —СН– |
ОН ——> Н2О + R1—СН= N – R 2 |
|
| |
азометин |
|
NH – R |
2 |
|
Азометины -твердые кристаллические вещества, имеющие четкие температуры плавления, что позволяет проводить идентификацию альдегидов в виде оснований Шиффа.
7. Альдольная конденсация. Сущность реакции: взаимодействуют два карбонильных соединения. Одна молекула - нуклеофил , другая - объект нуклеофильной атаки. Реакцию проводят в щелочной среде, которая способствует
образованию нуклеофила -отрицательно заряженной частицы.
141
ОН–
СН3–СНО +СН 3 –СНО < => СН3 – СН – СН2– СНО
|
ОН 3-гидроксибутаналь
Механизм реакции:
а ) образование нуклеофильнойчастицы |
– карбоаниона |
||
Н б+ |
|
|
|
б + | |
б+ |
б- |
|
Н —> С —СН> = |
О +ОН – — > СН2 —СН=О +НОН |
||
| |
|
|
(– ) |
Н б+ |
|
|
нуклеофил (карбоанион) |
|
|
|
сопряженная система |
б ) нуклеофильная атака карбоаниона на атом углерода карбонильной группы
б+ |
|
3 – СН – О– |
+ НОН |
СН3–СН= О +СН 2 —СН= О < =>СН |
< => |
||
|
( – ) |
| |
|
|
|
СН2– СН =О |
|
СН3 – СН– |
СН2– СНО +ОН – |
|
|
| |
|
|
|
ОН 3- |
гидроксибутаналь |
|
|
Реакции альдольной конденсации распространены в биологических процессах. С ними связано образование кетоновых тел (энергетический обмен), стеринового цикла холестерина и стероидных гормонов, превращения моносахаридов (обратимый синтез фруктозо-1,6- дифосфата из 3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона), транскетолазные реакции в пентозофосфатном цикле, который обеспечивает клетку пентозами для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.
142
О
Оксокислоты (альдо-и кетокислоты). Содержат альдегидную или кетоновую группу. Характерны химические свойства для обеих функциональных групп: карбоксильной и карбонильной. Обе группы акцепторные, поэтому они усиливают реакционную способностьдруг друга. В биохимических процессах in vivo участвуют альдокислоты: оксоэтановая (глиоксалевая), янтарный полуальдегид и кетокислоты: 3-оксобутановая (ацетоуксусная), пировиноградная, щавелевоуксусная, а- кетоглутаровая. (см.)
Окислительно- |
восстановительныереакции |
биоорганических соединений. |
|||||
Приняты |
несложные определения реакций окисления и восстановления. Реакции |
||||||
восстановления – изменяется состав |
вещества– |
удаляются атомы водорода или |
|||||
добавляются атомы водорода. |
Реакция окисления -изменяется состав вещества– |
||||||
добавляются атомы кислорода или удаляются |
атомы водорода. К |
процессам |
|||||
окисления |
относятся превращения, |
сопровождающиеся внутримолекулярным |
|||||
дегидрированием( |
обратный процессгидрирование–восстановление |
), изменяется |
|||||
тип гибридизации атома углерода. |
|
|
|
||||
С(sp3) ———> С (sp2) ———> С ( sp)
алкан |
алкен |
алкин |
последовательность |
|
|
|
процессов окисления |
R– СН3 ———> R– СН2 – ОН———> R– СН О спирт альдегид
Окисление тиолов происходит как межмолекулярная реакция дегидрирования, в первую очередь, образуются дисульфиды. Реакция имеет большое значение в регуляции количества свободных SH групп и дисульфидных связей в белках.
2 R – SH + |
[ O ] ———> R – S – S – R + НОН |
тиол |
дисульфид |
Окислители |
уменьшают содержание свободных тиольных групп, а |
восстановители - уменьшают число дисульфидных связей. Тиольные группы в
белках играют важную роль в |
выполнении |
белками ферментативных и |
других |
||||
функций,например,активная форма гормона инсулинасодержит |
две дисульфидные |
||||||
связи. Прикреплениевнеклеточных |
белков |
к |
мембране |
клетки также |
может |
||
осуществляться с участием дисульфидных групп(белок |
фибронектин). |
|
|||||
В биохимических реакциях |
окисления и восстановления принимают |
участие |
|||||
ферменты оксидоредуктазы. |
Белковые молекулы не могут осуществлять перенос |
||||||
электронов, поэтому в составе ферментов обязательно |
присутствуют органические |
||||||
молекулы или катионы металлов, способные |
передавать |
электроны, то есть |
|||||
143
существовать в окисленной и восстановленнойформе( витамин С, липоевая кислота, кофермент НАД+ / НАДН, ФАД / ФАДН 2, гем, содержащий ионы железа (+2) / (+3),
ионы меди (+1) / (+2и ) |
др.) |
|
Реакцииокисления |
(дегидрирования) типичны для |
насыщенных атомов |
углерода, гидрокси, тиольной и аминогрупп . Наиболеераспространенным |
||
переносчиком атомов водорода является кофермент НАД+ в |
реакциях окисления и |
|
кофермент НАДН в реакциях восстановления (большинство окислительновосстановительных биохимических реакцийобратимы ).
Окисление алкогольдегидрогеназой этанола и других алкоголей –первый этап метаболизма экзогенных спиртов, попадающих в организм в составе лекарственных препаратов,алкогольных напитков.
Фермент алкогольдегидрогеназа
СН 3 – СН2 – О – Н +НАД + <————————СН > |
3 –СН= О + НАДН + Н+ |
этанол |
этаналь |
Превращение молочной и пировиноградной кислот друг в друга происходит во всех тканях организма.В анаэробных (бескислородных) условиях образование лактата – конечный этап метаболизма глюкозы.
|
фермент лактатдегидрогеназа |
|
|
СН3 –СН – СООН +НАД + <————————СН > |
3 – С – СООН +НАДН |
+Н + |
|
| |
|
|| |
|
ОН |
|
О |
|
Присутствие кислорода снижает образование молочной кислоты и стимулирует |
|||
ее окисление в пировиноградную, процесс весьма важен для сердечной |
мышцы, |
||
печени( см.коферментНАД |
+). |
|
|
Оксалаты -соли щавелевой кислоты (см.Щавелевая кислота).
Оксикарбоновые кислоты (см.Гидроксикарбоновые кислоты).
Оксикислотный ключ (стандарт) Розанова. |
Используют для определения |
||||
истинной конфигурации, |
т.е. чтобы сделать |
соотнесение |
«знак вращения - |
||
стереоряд». В |
качестве |
стандарта |
используют D и L – глицериновый альдегид. |
||
Оказалось, что (+d) -глицериновый |
альдегид соответствуетD - |
стереоряду, а (- l )- |
|||
соответствует |
-L –стереоряду. Биологически активное соединение (знак вращения |
||||
его определяется с помощью поляриметра) путем химических реакций превращают в
глицериновый альдегид ( + dили |
- l Самая). |
значительная трудность состоит в том, |
|
чтобы асимметрический атом |
углерода |
не изменил конфигурацию |
на |
противоположную процессе химических реакций. |
|
||
144
CНO |
CНO |
||
| |
|
|
| |
H — C* — OH |
|
|
HO —C* — H |
| |
|
|
| |
СН2 ОН |
|
|
СН2 ОН |
|
|||
( + ) D – глицериновый альдегид |
(- ) L –глицериновый альдегид |
||
γ –Оксимасляная кислота (ГОМК, 4-гидроксибутановая). В организме человека γ - оксимасляная кислота образуется в нейронах мозга и обладает фармакологическим эффектом, является медиатором торможения центральной нервной системы
СН 2– СН2 –СН2- СООН |
Н |
2 С —— СН2 |
|
||
| |
————> |
| |
| |
+ Н2О |
|
ОН |
Н |
|
2 С |
С =О |
бутиролактон |
|
|
|
|
О |
|
В слабо кислой среде превращается в циклический сложный эфир - лактон |
|||||
(бутиролактон) в |
результате |
внутримолекулярной |
реакции дегидратации. |
||
Используется как лекарственный препарат только в виде соли натрия оксибутирата (Natrii оxybutyras) , чтобы исключить образование лактона, поскольку лактон не обладает фармакологическом эффектом. Следует помнить, что при изменении
нормального |
значения рН |
крови в кислую сторону (что часто встречается при |
|||
недостатке |
кислорода) |
происходит |
превращение натрия |
оксибутирата |
|
в γ- оксимасляную кислоту, |
которая |
сразу образует неактивный |
бутиролактон |
||
и эффективностьдействия |
препарата снижается. см( .Гидроксикарбоновые кислоты) |
||||
СН2– СН2 –СН2- СООNa γ– оксибутират натрия (ГОМК – Na)
|
ОН
Изомер 3-гидроксибутановая (β - оксимасляная) кислота, отличающаяся положением гидроксигруппы, имеет совсем другую биологическую активность и действие. (см.)
β-Оксомасляная кислота (см. Ацетоуксусная кислота).
145
Олеиновая кислота С 17Н33СООН (18:1:9)Цис. -непредельная кислота, содержит одну двойную связь между 9,10 - атомами углерода. При комнатной температуре маслянистая жидкость, кристаллизуется при Т ниже 160С. Обладает всеми свойствами. ненасыщенной кислоты, типичные реакции двойной связи и карбоксильной группы. При гидрировании превращается в стеариновую. Легко изомеризуется под влиянием азотной кислоты, оксидов азота. Трансстереоизомер носит другое тривиальное название–элаидиновая кислота. Олеиновая кислота -одна из самых распространенных в природе, в организме человека составляет около55%
всех высших жирных кислот. В подсолнечном масле доля 33%,в |
оливковом 70-75%. |
|||||
Для человека заменимая, синтезируется |
из стеариновой путем дегидрирования с |
|||||
участием ферментной системы, включающей в себя цитохром |
в 5. (см. Высшие |
|||||
жирные кислоты,Гем.,Мембраны ). |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
9 |
|
|
|
|
|
СН3 -(СН )7 - СН==СН - СН( |
2 )7 -СООН |
|
|
||
Н |
Н |
|
Н |
|
( СН2 ) 7 СООН |
|
С =С |
|
|
|
С =С |
|
|
СН 3 (СН2) 7 |
(СН2 ) 7 СООН |
|
СН3 |
(СН2) 7 |
Н |
|
цисолеиновая жидкая |
|
транс |
-элаидиновая твердая |
|||
Олигосахариды. Содержат в молекуле от 2до 10 моносахаридных остатков, связанных О-гликозидными связями. По числу остатков делятся на ди, три, тетрасахариды и т.д., различают восстанавливающие и невосстанавливающие
олигосахариды.( см. Дисахариды). К биологичесактивным |
относятся трисахариды: |
в грудном молоке фукозиллактоза, в растительных пищевых продуктах содержится раффиноза -самый распространенный олигосахарид растений после сахарозы
Опий. Сгущенный сок семенных коробочек различных видов мака. Содержит более десятка родственных алкалоидов.(см.Анабазин ,Кодеин,Морфин)
Оптическая активность. Способность хиральных молекул вращать плоскость поляризации света.
Оптическая чистота (О.Ч.). Мера энантиомерного состава смеси энантиомеров. Рацемическая смесь имеет чистоту = 0%. Смесь 90%одн ого энантиомера и 10% другого имеет О.Ч. = 90%.
Оптическая изомерия. Вид стереоизомерии . Растворы или кристаллы некоторых веществ отклоняют плоскость поляризованного луча света при прохождении его через кристалл или раствор. Эти вещества обладает оптической
активностью, для них характерна оптическая изомерия.
146
А |
А |
оптические изомеры( энантиомеры) |
|
| |
| |
в плоскостном изображении |
|
В — С*— D |
D — C*— В |
плоскостные( |
проекции Фишера) |
| |
| |
|
|
E |
E |
|
|
зеркальная |
плоскость |
|
|
Признак оптически активного соединения: наличие тетраэдрических атома углерода или аммонийного атома азота, связанных с 4различными заместителями. Атом углерода, связанный с 4различными заместителями( обозначают С*), принято называть асимметричным, оптически активным ,хираль ным (от греч –cheir-рука;
кисти руки являются зеркально отраженными). Общее количество изомеров у молекулы, содержащей несколько асимметрических атомов углерода, зависит от числа хиральныхатомов хиральных( центров):
N = 2 n
( N - общее количество изомеров, n – число хиральных атомов в молекуле)
Два вещества, полные зеркальные изомеры,носят название энантиомеры.
Если в молекуле один хиральный атом, то два стереоизомера всегда являются энантиомерами. Изомеры, содержащие несколько хиральных центров и не являющиеся полными зеркальными отражениями друг друга носят название –
диастереомеры. |
|
|
|
|
|
|
|
Для изображения на плоскости оптических изомеров природных |
биоактивных |
||||||
молекул(аминокислот ,гидроксикислот,моносахаров)используют |
проекции Фишера: |
||||||
-на плоскость проецируюттетраэдрическую |
конфигурацию |
|
|
|
|||
- относительно асимметрического атома углерода записывают 4 заместителя, |
|||||||
вверху старшую из всех групп, внизу радикал,справа |
и слева –атомы |
водорода и |
|||||
функциональные группы (амино,гидрокси,меркапто,галоген). |
|
|
|
||||
Структурные |
формулы |
отражают существование молекулы |
в |
виде |
двух |
||
изомеров, принадлежащих к стереорядам D и L (D – правый, L – левый) |
|
|
|||||
Запишемдля |
примера формулу 2-гидроксипропановой (молочной)кислоты |
в |
|||||
виде двух стереоизомеров. |
|
|
|
|
|
|
|
СН3 —СН— |
СООН |
COOH |
|
COOH |
|
|
|
| |
|
| |
|
| |
|
|
|
OH |
|
H — C* — OH |
HO —C* — H |
|
|
|
|
|
|
| |
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
СН3 |
|
СН3 |
|
|
|
|
|
D - лактат |
|
L – лактат |
|
|
|
|
|
147 |
|
|
|
|
|
Вещество относится к D-ряду, если переходот атома водорода к гидроксигруппе (или любой функциональной) через старшую группу совпадает с движением стрелки на часах.
Вещество относится к Lряду- ,если переход от атома водорода к гидроксигруппе (или любой функциональной) через старшую группу осуществляется против движения стрелки на часах.
Как правило, температуры плавления, кипения и другие физико-химические свойства энантиомеров одинаковые. Отличить их друг от друга можно только с помощью поляризованного луча света, энантиомеры вращают угол плоскости поляризованного луча на одну величину, но в противоположные стороны. Отклонение плоскостиполяризованного луча можно измерить с помощью прибора поляриметра. Если для полного скрещения призм ручку анализатора требуется повернуть вправо, то изомерную форму вещества называют правовращающей (+ d),а если влево -левовращающей(-l ) .
Знак вращения –свойство вещества. Отнесение к D, L - стереорядам - условный прием, знак вращения и стереоряд не связаны между собой. Определить истинную конфигурацию вещества, т.е. сделать соотнесение «знак вращения -стереоряд » можно, используя конфигурационный стандарт М. А.Розанова. В качестве стандарта используют D и L –глицериновый альдегид. Оказалось, что (+d )-глицериновый альдегид соответствует D -стереоряду,а (- l )- соответствует-L - стереоряду
Биологически активное соединение (знак вращения его определяется с помощью поляриметра) путем химических реакций превращают в глицериновый альдегид ( + d
или - l ).
CНO |
CНO |
||
| |
|
|
| |
H — C* — OH |
|
|
HO —C* — H |
| |
|
|
| |
СН2 ОН |
|
|
СН2 ОН |
|
|||
( + ) D –глицериновый альдегид |
( - ) L –глицериновый альдегид |
||
Самая значительная трудность состоит в том, чтобы асимметрический атом углерода не изменил конфигурацию на противоположную в процессе химических реакций.
Равная по массе или по количеству вещества смесь двух энантиомеров является оптически неактивной. Такую смесь называют рацемической. Особый случай составляют вещества, в которых несколько хиральных атомов углерода, но и есть ось симметрии. В этом случае число энантиомеров изменяется и возникает внутренний рацемат – мезоформа. Примером является винная кислота- 2,3-дигидроксибутандиовая.
148
НООС |
|
|
|
—СН— |
СН— СООН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
| |
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
ОН ОН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
HO |
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
COOH |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C* |
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
C* |
|
|
OH |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
C* |
|
|
OH |
|
|
|
|
||||||
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
C* |
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HO |
|
C* |
|
H |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
COOH |
|
H |
|
|
C* |
|
|
OH |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
L- винная кислота (l, l ) |
мезовинная кислота(d , l) |
D- винная |
||||||||||||||||||||||
кислота(d, d ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
L-винная кислота (l, l)и D- винная кислота(d, d )- энантиомеры |
|
|||||||||||||||||||||||
мезо-винная кислота(d , l) |
и Lвинная- |
|
|
кислота(l, l) |
|
диастереомеры |
||||||||||||||||||
мезо-винная кислота(d, l)и D- |
винная кислота(d, d ) |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
(см.Поляризованный свет,Поляриметр) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Оротовая кислота С5Н4N2О4. |
Слегка кислые на вкус бесцветные кристаллы, из |
|||||||||||||||||||||||
воды кристаллизуется в виде моноаква комплекса, при |
Т 130 0С теряет молекулу |
|||||||||||||||||||||||
воды. Растворима в воде(1 г/ 550мл |
при 180 ),трудно в органических растворителях. |
|||||||||||||||||||||||
Возможны 4 таутомерные |
формы, |
|
из |
них |
две |
полные |
лактамная |
|||||||||||||||||
(2,6 – диоксопиримидин-4-карбоновая кислота) и лактимная (2,6-дигидрокси-4 карбоновая кислота).
|
O |
|
|
|
NH |
HOOC |
N |
O |
|
H |
|
2,6 – диоксопиримидин-4-карбоновая кислота
В клетках человека предшественник в синтезе всех пиримидиновых азотистых оснований: урацила, тимина, цитозина. Нуклеотид монофосфат, содержащий оротовую кислоту, превращается в уридинмонофосфат путем ферментативного декарбоксилирования оротовой кислоты. В условиях in vitro карбоксильная группа не отщепляется даже при длительном кипячениив 20% серной кислотепри 2000 .
149
Основание (теория Бренстеда-Лоури). По определению присоединяет протон, |
|
потому |
что в молекуле имеется атом с неподеленной парой электронов (азот, |
кислород, |
сера), двойная связь или вся частица несет отрицательный заряд (ОН -, |
RО-, RS - ). Обозначают В - сокращение от bas е - основание. Протон за счет донорноакцепторной связи присоединяется к атому, несущему неподеленную пару
электронов, |
молекулаприобретает |
положительный заряд. Чем выше основные |
||||||
свойства, тем легче протекает протонирование. (В |
слове осн'овные ударение следует |
|||||||
сделать на букве «о» во втором слоге ) |
|
|
||||||
Выделяют несколько типов оснований |
|
|
||||||
| |
|
|
|
|
|
| |
|
|
-N- + |
H+ |
—> |
| |
— N + — H (аммониевое основание) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- О - + |
|
H + |
—> — О+ —Н |
(оксониевое основание) |
||||
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
-S - + |
H + |
—> —S+ — H |
(сульфониевое основание) |
|||||
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
С |
= С |
+ H + —> |
|
> С =|=С< π( -основание ) |
||||
|
|
|
|
|
|
H + |
|
|
Силу основания В (base) |
в воде можно оценить, |
рассматривая равенство: |
||||||
|
В +НОН |
|
|
ВН+ +ОН – |
|
|||
Константа равновесия выражается уравнением |
|
|||||||
|
[ ВН + ] |
[ ОН–] |
|
|
|
|||
КВ =- |
-------------------- |
рКВ = -lgК |
В |
|||||
|
|
[ |
В ] |
|
|
|
|
|
Величину рКВ в водеможно |
перевести в рКа |
|
||||||
|
рК В |
+рКа |
= 14 ( при 250 С) |
|
||||
Чем больше основные свойства, тем |
меньше значение величины рКВ. |
|||||||
Основные свойства зависят от нескольких факторов:
1. Электроотрицательности атома, несущего неподеленную пару электронов. Чем больше электроотрицательность, тем выше основные свойства. Так как электроотрицательность О > S , то основные свойства спиртов больше тиолов.
С2 Н5 -ОН > С2 Н5- SН
150