Биоорганическая химия. Справочник, словарь
.pdf
Выделяется холестерин из организма вместе с желчными кислотами, образование вязкой желчи может сопровождаться развитием желчнокаменной болезни. Холестерин дает множество цветных реакций, которые позволяют провести его качественное обнаружение и количественное определение. Чаще всего применяют реакцию Сальковского: образец, содержащий холестерин, обрабатывают хлороформом, добавляют концентрированную серную кислоту. Хлороформный слой окрашивается в красный цвет, а кислотный слой флуоресцирует зеленым цветом.
Хондроитинсульфаты (хондроитинсерные кислоты). Природные гетеролисахариды. Состоят из глюкуроновой кислоты и N – ацетилгалактозамина, которые соединены связью (β-1, 3) в биозный фрагмент, повторяющийся на всей длине цепи
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
CH2OSO3H |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
H |
|
O |
|
OH |
|
|
|
|
O |
H |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
H |
H |
|
O |
H |
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
H |
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
NH |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
H |
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
биозный фрагмент хондроитин-6- |
сульфата (гликозидная связь β-1, 3) |
|
|||
Бесцветные вещества, растворимость в воде ниже по сравнению с гиалуроновой |
|||||
кислотой, |
получаются вязкие |
растворы; в органических растворителях |
ХС |
не |
|
растворимы. Молекулярная масса полисахаридной цепи около20 000, |
но |
в |
|||
соединении с белком от 1 до |
10млн |
. Д. Различают два типа: ХС-4, |
ХС-6 |
( в |
|
зависимости от места положения сульфогруппы). Содержатся в хрящах, сухожилиях, костях, роговице глаза, в сердечном клапане. Применяют как лекарства при патологиисоединительной ткани различного происхождения (генезиса) в виде препарата хондроксин и ряда других.
Хроматография Разделение смеси газов, жидкостей или растворенных веществ методами сорбции в динамических условиях. В зависимости от различной сорбируемости компонентов смеси их разделение происходит по мере продвижения через устройство, содержащее сорбент. В биоорганической химии используют методы хроматографии для качественного, количественного анализа и в препаративных целях (разделение веществ и затем их выделение, наработка). Применяют газо-жидкостную хроматографию, жидкостную распределительную, ионообменную, наиболее часто хроматографию на бумаге и в тонких слоях, жидкостную адсорбционную на колонках, которые особенно удобны получения очень чистых образцов вещества.
191
Ц
Цвиттер-ион ( см. Биполярный ион)
Целлобиоза С12Н22О11. Систематическое название О -β –D-глюкопиранозил- (1-4)-D-глюкопираноза. Дисахарид состоит из двух молекул глюкозы, связанных между собой β–1,4 гликозидной связью. . Кристаллическое соединение, растворяется в воде, в водных растворах наблюдается мутаротация. Восстанавливающий дисахарид, дает качественные реакции с реактивами Фелинга и Толленса, при окислении бромной водой превращается в целлобионовую кислоту. (см . Лактоза) Гидролизуется в кислой среде медленнее по сравнению с мальтозой.
|
CH |
OH |
|
|
|
CH2OH |
|
|
|
|||
H |
2 |
O |
|
H |
|
|
O |
H |
||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
H |
|||||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
H |
|
|
|
|
O |
H |
|
||||
|
OH |
|
H |
|
|
OH |
OH |
|||||
|
|
H |
|
|||||||||
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
H |
OH |
|||||||
|
H |
|
OH |
|
|
|
||||||
|
Целлобиоза(гликозидная |
связь β-1, 4) |
|
|||||||||
Целлобиозу получают гидролизом целлюлозы или действием некоторых микроорганизмов на целлюлозу.
Целлюлоза ( С6Н10О5)n. Природный полисахарид растительного происхождения, содержит мономерные звенья β–D-глюкопиранозы, которые связаны между собой β-1,4-гликозидной связью. β-1,4-Гликозидная связь располагает пиранозные циклы двух параллельных цепей так, что атомы кислорода циклов располагаются не друг над другом, а в противоположных углах цикла. Длинные линейные цепи располагаются параллельно друг другу, гидроксильные группы пиранозных циклов образуют межмолекулярные водородные связи, получаются волокна с плотной упаковкой «нитей» целлюлозы. Поэтому в нативном виде целлюлоза воде не растворима и плохо смачивается водой, медленно гидролизуется в кислой среде.
В аммиачной среде под влиянием реактива Швейцера [Сu(NH3)4](OH)2 разрушаются все внутримолекулярные связии гидролиз проходит достаточно легко. Продукты частичного гидролиза целлюлозы называются гидроцеллюлозой, конечным продуктом является глюкоза.
Для целлюлозы характерна полидисперсность по молекулярной массе, которая можетбыть выше 106Д. Относится к кристаллическим полимерам и имеет сложную надмолекулярную структуру. Целлюлоза - главная составная часть клеточных стенок высших растений, где она связана со многими другими полисахаридами.
Примером чистой целлюлозы может служить хлопковая вата, тополиный пух,
192
зонтики семян, например, одуванчика также образованы целлюлозой. Целлюлоза имеет большое промышленное значение для производства искусственного волокна ацетилцеллюлозы (вискозные волокна), нитроэфиры применяют в производстве взрывчатых средств, сложные эфиры - карбоксиметилцеллюлоза , оксиэтилцеллюлоза - используются при изготовлении косметических, парфюмерных средств, простой эфир метилцеллюлоза в пищевой промышленности (например, в производстве мороженого как эмульгатор и низкокалорийная добавка).
целлюлоза (гликозидная связь β-1, 4)
Целлюлоза и ее производные не перевариваются в организме человека и животных собственными ферментами: фермент целлюлаза вырабатывается микрофолорой нижнего отдела кишечника человека и желудка у жвачных животных. В медицинских целях целлюлозу используют как низкокалорийную добавку к пище и хороший адсорбент. Обработанная целлюлоза набухает в желудке и кишечнике, создает давление на стенки желудочно-кишечного тракта, формируется чувство насыщения. Адсорбирует пищевой холестерин, пуриновые соединения (кофеин, мочевую кислоту и другие), уменьшает их всасывание из пищевых продуктов.В составе отрубей высокое содержание целлюлозы, их используют как добавки для лечебного и диетического низкокалорийного питания.
Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот). Последовательность биохимических реакций, которые проходят в матриксе митохондрий. Процесс циклический, начинается с реакции взаимодействия АцКоА и щавелевоуксусной кислоты, заканчивается вновь образованием ЩУК. Связан (сопряжен) с синтезом АТФ на внутренней мембране митохондрии, который носит название окислительное фосфорилирование). Это основной путь синтеза АТФ в аэробных
условиях. В конечном итоге АцКоА разрушается до 2моль СО2. Энергетический выход одного оборота цикла12 моль АТФ / 1моль АцКоА.
Последовательность превращений приведена на схеме.
АцКоА + ЩУК →цитрат →изоцитрат →а -кетоглутарат
сукцинилКоА
Малат ← фумарат ← сукцинат
Объединяет углеводный, липидный, белковые обмены, выполняет пластические функции.
193
Циклические нуклеотиды (см.Аденозинмонофосфат циклический)
Циклический перенос электронов во вторичной структуре ДНК (см.
Дезоксирибонуклеиновая кислота)
Циклодекстрин ( С6Н10О5)n. Содержит от шести до восьми звеньев(n = 6-8). а–D-глюкопиранозных единиц, соединенных в цикл. Вся молекула циклодекстрина выглядит как бумажный стаканчик, у которого верхняя часть шире дна. Широкая
поверхностьгидрофильна, |
на ней расположены группы – СН(ОН )- пиранозных |
||
циклов. Во внутреннее |
пространство |
« стакана» |
проникают вещества, |
циклодекстри н- уникальный комплексообразователь . Он обеспечивает транспорт лекарственных препаратов, может включать в свое внутреннее пространство «стаканчика» различные лекарства, которые плохо всасываются в кишечнике, или разлагаются пищеварительными ферментами, обладают неприятным вкусом и раздражающим действием на ткани желудочно-кишечного тракта. Циклодекстрины используют в парфюмерной, косметологической, фармацевтической промышленности в качестве агентов для медленного выделения и доставки веществ, они важны как имитаторы ферментов. Их используют для изучения механизмов ферментативных реакций.
Цис-изомер (см. Геометрическая изомерия).
Цистамин Дисульфид,образуется при окислении меркамина (см.).
Цитозин (2-оксо-6-аминопиримидин) С4Н5N3. Пиримидиновое азотистое основание. Входит в состав ДНК и РНК. Бесцветные кристаллы, Т плавл. 320-325 (разложен), мало растворим в воде(0,77 г в 100 мл при Т 250С), обладает основными свойствами.
NH2
N
N O
H 2-оксо-6-аминопиримидин (лактамная форма)
Образует соли с кислотами по аминогруппе, с активнымиметаллами вследствие возможного образования лактимной формы (2гидрокси- -6- аминопиримидина). Под действием азотистой кислоты in vitroи ферментативноin vivo дезаминируется и превращается в урацил. Производное 5-метилурацил – минорное основание -встречается в нуклеиновых кислотах. Нуклеотид ЦТФ in vivo
участвует в синтезе фосфолипидов: лецитина , кефалина,фосфатидилсерина.
194
Цитохромы Гемопротеиды , сложные белки, содержащие ионы железа (меди), включенные в порфириновую систему. В основу классификации положено значение
полос поглощения, которые находятся в пределах 420 |
-600 нм. Если цитохром |
||
передает электроны |
непосредственно кислороду, |
он носит название |
|
«цитохромоксидаза». |
Главная я биологическая функция |
– обеспечение |
|
окислительно-восстановительных реакций, перенос |
электронов посредством |
||
обратимого изменения степени окисления иона металла. |
Этим отличается от гема |
||
гемоглобина.Присутствуют на внутренней мембране митохондрий( |
цит. b,с 1, с, а, а |
||
3), в мембранах эндоплазматического ретикулума формируют систему микросомального окисления (цит р 450, b 5 в системе микросом). Присутствуют в составе ферментов каталазы и пероксидазы.Окрашивают клетки в красный цвет.
Цитрат ( см. Лимонная кислота).
Ш
Шапероны Белки, обеспечивающие «особую» пространственную укладку цепи полипептида в момент посттранстляционной модификации, которая обеспечивает специфические функции этого полипептидабелка. Отвечают за восстановление измененной структуры при обратимой денатурации.
Шиффовы основания (см.Азометины )
Щ
Щавелевая кислота (этандиовая, оксалат) НООССООН Простейшая дикарбоновая насыщенная сильная кислота. Кристаллы, Т плавл.1890С (безводн).
Кристаллизуется с 2моль Н2О. Под действием серной кислоты или при быстром нагревании in vitro наблюдается разложение щавелевой кислоты. Обладает in vitro восстановительными свойствами.
серная кислота
НООС-СООН ————> |
СО+ СО2 +Н 2 О |
НООССООН ——нагревание—> |
НСООН +СО 2 |
195
В виде солей оксалатов распространена в растениях. Нерастворимая кальциевая соль оксалат кальция содержится в оболочках клеток и внутри клеток лишайников, грибов, водорослей, папоротников . Кислая калиевая соль (кисличная соль) содержится в щавеле и кислице, в других видах растений встречаются оксалаты натрия и магния. У человека и животных в составе мочи и других биологических жидкостей находя т небольшие количества щавелевой кислоты, особенно при приеме больших доз витамина С.
Избыток щавелевой кислоты в моче носит назвние оксалурия. Является признаком развития мочекаменной болезни, которая характеризуется отложением соли оксалата кальция в почках, суставах, протоках слюнных желез. Образование щавелевой кислоты в организме человека связано с нарушением обмена аминокислоты глицина(2- аминоуксусной кислоты). Токсичность щавелевой кислоты связана с ее сильными кислотными, восстановительными свойствами и возможным разложением с выделением оксида углерода (+2)СО, который необратимо связывается с ионом железа в составе гемоглобина и цитохромов.
Щавелевоуксусная кислота (2-оксобутандиовая, оксоянтарная,
кетоянтарная, ЩУК) С4Н4О4 . Получила свое название в связи с тем, что ее скелет
можно условно разделить на две части( |
фрагменты щавелевойи |
уксусной кислот) |
|||||||
При декарбоксилировании |
ЩУК |
|
образуется |
пировиноградная |
кислота. |
||||
Максимальная скорость реакцииотмечена |
при рН=5,0 - 6,5 |
|
|
|
|||||
|
|
СН-кислотный |
центр |
|
|
|
|||
|
НООС – С - СН2 -СООН |
|
|
|
|
|
|||
фрагмент щавелевой|| |
фрагмент уксусной |
|
|
|
|||||
кислоты |
О кислоты |
|
|
|
|
|
|||
Существует в кетоновой и енольной формах. Енольные формы |
|||||||||
кристаллические вещества, существуют в |
виде |
двух |
изомеров: цис-и |
транс. |
|||||
В растворе в интервале значений рН |
6-10 образуется дианион( |
диссоциация по |
|||||||
обеим группам), который на 82-88% находится в оксо-форме, на 7-10%в |
енольной |
||||||||
форме. Восстановление |
ЩУК |
приводит |
к |
образованию |
яблочной |
||||
(2-гидроксибутандиовой,гидроксиянтарной кислоты). |
|
|
|
|
|||||
Строение |
енольной формы |
Пространственные изомерыенольной |
формы |
||||||
НООС– |
С =СН—СООН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
НО- С |
-СООН |
|
НО-С -СООН |
||||
|
ОН |
|
|
|| |
|
|
|
|| |
|
|
|
НООС— |
С -Н |
|
Н |
-С – СООН |
|||
|
|
|
|
(1) |
|
|
(2) |
|
|
|
транс-гидроксифумаровая |
|
цис- |
гидроксималеиновая |
|||||
|
|
кислота |
|
|
|
|
кислота |
|
|
196
Важное биологически активное соединение: субстрат цикла Кребса, начальное вещество в реакциях глюконеогенеза, при трансаминировании в обратимой реакции превращается в аспарагиновую кислоту. Присутсвует в митохондриях и цитоплазме клеток всех тканей человека.
Аспартат + а-кетоглутарат —ферментАСТ− > ЩУК +глутамат
Фермент аспартатаминотрансфераза (АСТ) обладает высокой активностью в миокарде.
Э
Элаидиновая кислота ( см. Высшие жирные кислоты, Мембраны, Олеиновая кислота).
Электроотрицательность. Условная величина, характеризующая относительную способность атома в молекуле принимать отрицательный заряд (способность атома смещать в свою сторону электронную плотность химической связи). Ряд электроотрицательности для неметаллов составленлауреатом Нобелевской премии Л.Полингом.
F > O > N > C1 > Br > I ~ S > C > H
Атомы углерода в различных гибридных состояниях тоже отличаются величиной электроотрицательности:
Сsp > Сsp2 >С sp3
Отличия атомов по электроотрицательности являются причиной образования полярных ковалентных и ионных связей (обменный механизм образования связи).
Электрофил (электрофильная частица). В органической химии
положительно заряженную частицу -катион принято называть электрофильной (символ Е +).
Электрофил (любящий электроны) атакует во время реакции участки другой молекулы с повышенной электроннойплотностью ,где сосредоточен заряд (б +)
В реакциях с биоорганическими веществами in vitro участвуют электрофилы:
Н +,С1 +,Вг +, I + (в гипоиодидеOI —), СН 3 + ,С n Н+ 2n+1 ,NО2 +(катион нитрония).
197
Электрофилы, в которых положительный заряд сосредоточен на атоме углерода, называются карбокатионами. С участием витаминов В 12 и фолиевой кислоты in vivo осуществляются реакции переноса положительно заряженной метильной группы СН3 +. В биохимических реакциях вода проявляет свои амфотерные свойства и выступает в качестве электрофила и нуклеофила. К электрофильным реакциям( с участием электрофилов) относятся реакции
присоединения к алкенам, замещения в ароматических соединениях, элиминирования
(дегидратации).
Электрофильное замещение (SE+). Этот тип реакций типичен для ароматических соединений. Ароматические соединения отличаются самой высокой степенью делокализацииπ -электронной плотности и высокой термодинамической устойчивостью. В растворе они вступают в реакции электрофильного замещения – нитрования, сульфирования, галогенирования, алкилирования, в которых сохраняется ароматическая электронная система. Чем выше степень ароматичности, тем легче идет реакция. Донорные заместители увеличивают электронную плотность в ароматической системе и облегчают реакции SE. Акцепторные заместители уменьшают электронную плотность в ароматической системе и затрудняют реакции SE. Заместители изменяют равномерное распределение электронной плотности: доноры увеличивают частичные заряды (б -)в положениях 2,4,6а, акцепторы уменьшают в этих же положениях 2,4,6 электронную плотность и создают частичный заряд (б+).
1. Реакция нитрования. Бензол нитруют концентрированной азотной кислотой
в присутствии серной.Образуется |
нитробензол |
Н2S О4 |
|
С6Н6 +Н NО3 ————С > |
6Н5— NО2 + Н 2 О |
|
нитробензол |
Роль серной кислоты заключается в образовании активной электрофильной частицы-катиона нитрония.
+ |
+ |
Н –О – NО2 +Н + ——> Н– О – NО2 |
——> НОН + NО2 |
| |
нитроний-катион |
Н |
|
Многие нитропроизводные ароматических соединений обладают высокой противобактериальной и противогрибковой активностью, их используют в качестве лекарственных препаратов . Большие количества нитробензола необходимы для получения анилина (по реакции Зининавосстановление нитрогруппы). Анилин используется в промышленности для получения разнообразных красителей и разнообразных лекарственных препаратов (сульфаниламидов, обезболивающих – новокаина,противоопухолевых ).
198
2. Реакция сульфирования. Проводят серной кислотой, которая выполняет роль реагента и катализатора
С 6Н6 +Н 2SО4 ——> С6Н5—SО3Н + Н2О
сульфобензол (синоним--бензолсульфокислота )
Образование активной электрофильной частицы-катиона сульфония.
+
Н –О– SO3H +Н + ——> Н – О – SO3H ——> НОН + + SO3H
| |
катионсульфония . |
Н |
|
В качестве сульфирующего средстваиспользуют |
также оксид серы (1V). |
Сульфирование бензола и его производных играет важную роль в синтезе |
|
лекарственных соединенийсульфаниламидных |
препаратов, в получении |
поверхностно активных средств. Сульфобензол является сильной кислотой, образует соли.
Долгое время считалось, что в биохимических процессах нет аналогов
реакциям |
нитрования и сульфирования. |
Обнаружено, |
что возможны |
реакции |
||||||
нитрозирования и нитрования. Электрофильным агентом выступает оксид |
азота, |
|||||||||
который |
является распространенной сигнальной молекулой, |
образуется |
из |
|||||||
аминокислоты аргинина в клетках,продуцируется макрофагами. |
|
|
|
|
|
|||||
3. Реакция галогенирования. Проходит в присутствии катализаторов |
кислот |
|||||||||
Льюиса, |
которые позволяют из |
неполярной молекулы |
галогена( |
хлора, |
|
брома) |
||||
получить электрофильную частицу путем гетеролитического разрыва связи. |
|
|
|
|||||||
|
|
FeCl3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С6Н6 +С 12 ——> С6Н5С1 + НС1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Хлорбензол |
|
|
|
|
|
|
|
|
Образование электрофильной частицы С1+ |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
б+ |
б- |
|
|
|
|
|
|
|
С1 —С 1 |
+ |
FeCl3 <=>С 1 –>С1 … FeCl3 |
<=>С 1+ [ FeCl4]– |
электрофил С1+ |
||||||
|
|
Комплексное соединение, содержащее |
||||||||
Введение йода в ароматический цикл in vivoпроводят |
с участием |
|||||||||
электрофильного йода I+ в составе йодноватистой кислоты НОI |
в |
виде |
||||||||
протонированной частицы IОН2+. |
Для получения йодбензола |
можно применять |
||||||||
смешанный |
галоген монохлорид |
йодаICl,содержащий |
электофильный |
йод |
||||||
вследствие меньшей электроотрицательности по срванению с хлором.
199
б + б - |
|
С6 Н6 + I –> Cl ———> |
С6 Н5 I +НС 1 |
полярная связь |
йодбензол |
Электрофильный механизм реакции замещения. доказывает образование именно йодбензола,а не хлорбензола.
В организме протекает реакция йодирования ароматической аминокислоты
тирозина в |
процессе биосинтеза гормонов щитовидной железы йодтиронинов. |
В клетках |
щитовидной железы происходит образование иона гипойодида |
в окислительновосстановительной реакции, который осуществляет электрофильное замещение в активированных 2, 4 положениях фенольного цикла тирозина.
|
|
|
фермент |
|
|
|
||
|
I– |
+ Н2О2 |
–———> IО– |
+Н |
2 О |
|
||
3. Реакция алкилирования.Самый простой метод – алкилирование по |
||||||||
Фриделю-Крафтсу |
|
алкилгалогенидом в присутствии хлорида алюминия. |
||||||
R—>C1 |
+ A1C13 <=> R—>C1… A1C13 |
<=> R+ [ A1C14 ] – |
||||||
С6Н6 + R+ [ A1C14 |
] – |
–———> С6Н5 – R + НС1 + A1C1 3 |
||||||
|
|
|
|
|
Алкилбензол |
|
||
В реакциях in |
vivo переносчиком активной метильной группы (карбокатиона |
|||||||
СН3+) являются |
витамины |
В12 и |
фолиевая |
кислота, а источником активного |
||||
одноуглеродного карбокатиона( |
СН 3+) служит аминокислота |
метионин . Реакция |
||||||
чрезвычайно важна в синтезе тимина из урацила. |
|
|
||||||
5. Реакция карбоксилирования. Возможна для ароматических соединений, |
||||||||
активированных |
заместителями |
с сильным |
+М |
эффектом. |
Например, синтез |
|||
салициловой кислоты осуществляют |
путем |
взаимодействия |
расплава фенолята |
|||||
натрия с углекислым газом СО2. |
|
|
|
|
|
|||
Механизм реакции электрофильного замещения.Этапы реакции:
1.Приближение электрофила к ароматической делокализованной системе электронов
2.Электрофил ориентируется перпендикулярно к бензольному кольцу , образует пи-комплекс
3.Электрофил «забирает» два электрона из π-электронной системы и образует сигмакомплекс, в котором остается 4электрона на 5 атомов
углерода (возникает рассредоточенный положительный заряд). Пять атомов углерода имеют sp2 –гибридное состояние., а один атом, связанный с
заместителем и атомом водорода,находится в состоянииsp 3
200