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

Биоорганическая химия / Каминская Л.А.. Биоорганическая химия. Справочник-Словарь основных терминов и понятий

.pdf
Скачиваний:
82
Добавлен:
22.07.2021
Размер:
3.2 Mб
Скачать

Нуклеотиды -фосфорные эфиры нуклеозидов. Химический состав: азотистое основание (А.О.) +пентоза +фосфорная кислота. Фосфорные эфиры образуются с участием гидроксильных групп пентоз. Места положения фосфорноэфирных групп принято обозначать, используя обозначение ('), например: 5', 3'

Классификация нуклеотидов. Нуклеотиды, состоящие из одной молекулы азотистого основания, пентозы, фосфорной кислоты, называются мононуклеотидами. Мононуклеотиды могут содержать одну молекулу фосфорной кислоты, две или три молекулы фосфорной кислоты, соединенных друг с другом.

Комбинация из двух мононуклеотидов называется динуклеотидом. см( .)

В составе динуклеотида обычно присутствуют разные азотистые основания или одно другое циклическое соединение,например,витамин.

Особую роль

вбиохимическихпроцессахиграютциклическиемононуклеотиды(см).

Номенклатура

мононуклеотидов: к названию нуклеозида обавляют

«монофосфат»,

«дифосфат», «трифосфат», в зависимости от количества фосфатных

остатков, с указаниемих

места положения в цикле пентозы - цифровое обозначение

места со значком (')Положение.

фосфатной группы в положении(5')является

наиболее распространенным и типичным, поэтому его можно не указывать (АМФ, ГТФ, УТФ, д АМФ и т.д.). Остальные положения обозначаются обязательно (3'-

АМФ, 2'- АМФ , 3'- дАМФ и т.д.) таблица(

4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NH2

 

CH2OPO3H2

 

 

N

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

N

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

H

 

 

 

 

 

OH

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

5'- аденозинмонофосфат

 

(5'АМФ-

 

или АМФ )

131

Таблица 4

Названия наиболее распространенных нуклеотидов

нуклеозид

нуклеозидмонофосфат

нуклеозиддифосфат

нуклеозидтрифосфат

 

 

 

 

аденозин

5'-Аденозинмонофосфат

5'-Аденозиндифосфат

5'-Аденозинтрифосфат

(5'-АМФ

или АМФ)

(5'АДФ-

или АДФ)

( 5'АТФ-

или АТФ )

 

5' -адениловая кислота

 

 

 

 

аденозин

3'-аденозинмонофосфат

не встречается

не встречается

( 3'АМФ-

)

in vivo

 

in vivo

 

 

3' -адениловая кислота

 

 

 

 

 

 

гуанозин

5'-гуанозинмонофосфат

5'-гуанозиндифосфат

5'-гуанозинтрифосфат

 

(5'-ГМФ

или ГМФ)

(5'-ГДФ

или ГДФ )

(5'-ГТФ

или ГТФ)

 

 

 

 

гуанозин

3'-гуанозинмонофосфат

не встречается

не встречается

(3'-ГМФ)

 

in vivo

 

in vivo

 

 

3'-гуаниловая кислота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дезокси

5'-дезоксиаденозин

5'-дезоксиаденозин

5'-дезоксиаденозин

аденозин

монофосфат

дифосфат

трифосфат

(5'-д АМФ или дАМФ)

(5'д- АДФили дАДФ)

(5'д- АТФили дАТФ)

 

 

 

 

уридин

5'-уридинмонофосфат

5'-уридиндифосфат

5'-уридинтрифосфат

 

(5'-УМФ

или УМФ)

(5'-УДФ

или УДФ)

(5'-УТФ

или УТФ)

 

 

 

 

цитидин

5'-цитидинмонофосфат

5'-цитидиндифосфат

5'-цитидинтрифосфат

 

(5'-ЦМФ

или ЦМФ)

(5'-ЦДФ

или ЦДФ)

(5'-ЦТФ

или ЦТФ)

 

 

 

 

 

 

 

Нуклеотиды, образованные с участием рибозы, могут содержать остатки фосфорной кислоты в трех положениях (5', 3', 2'), а с участием дезоксирибозы –

только в двух положениях (5', 3') , в положении2'

гидроксигруппа отсутствует.

Это обстоятельство очень важно для структуры ДНК.

 

 

Отсутствие гидроксигруппы

во втором положении 2-О--дезоксирибозы

имеет

позитивные последствия:

 

 

 

 

 

- уменьшается поляризация

гликозидной связи

в

ДНК, и она становится

более устойчивой к гидролизу.

 

 

 

 

 

- 2-О-дезоксирибоза не можетподвергаться

ни

эпимеризации

, ни

превращению в кетозу.

 

 

 

 

 

132

Нуклеозидмонофосфаты –кристаллические вещества, с высокими Т плавл, часто

при плавлении разлагаются.

Хорошо растворимы в воде,

не растворимы

в органических растворителях,

обладают кислотными свойствами, которые выше, чем

у входящей в их состав ортофосфорной кислоты. Образуют соли с ионами металлов, органическими основаниями. При длительном облучении УФ –лучами происходит разрушение, фотолиз пуриновых и пиримидиновых оснований. Пиримидиновые нуклеотиды более устойчивы к гидролизу по сравнению с пуриновыми.

Нуклеотиды

- биологически

активные вещества и

очень

важные

для

жизнедеятельности

организма:

нуклеозидтрифосфаты АТФ,

ГТФ,

ЦТФ и

др.

макроэргические соединения, которые обеспечивают транспорт веществ в клетки, мышечное сокращение, передачу нервных импульсов, процессы синтеза новых веществ, детоксикацию конечных продуктов обмена и ксенобиотиков. Необходимы для поддержания гомеостаза (постоянства внутренней среды организма). Циклические нуклеотиды являются внутриклеточными регуляторами метаболизма. Динуклеотиды

(НАД+, ФАД) – коферменты,

обеспечивающие протекание окислительно-

восстановительных реакций.

 

Нуклеофил( нуклеофильная частица). Отрицательно заряженную частицу,

или молекулу, в которой есть атом с неподеленной парой электронов, называют нуклеофильной (символ Nu). Нуклеофил (любящий положительно заряженное ядро) атакует во время реакции участки другой молекулы с недостатком электронной плотности, где сосредоточен заряд( б +).Наиболеераспространенные нуклеофилы в реакциях с биоорганическими веществами:

а)отрицательно заряженныеН ,НО , RORCOO, RS,С 1,Вг , I,

б) содержащие атомы с неподеленными парами электронов НОН , ROН , RSН, NH3, RNH2.

Нуклеофилы, по определению БренстедаЛоури, являются основаниями. Донорные заместители уменьшают устойчивость нуклеофила, т.к. увеличивают заряд

(-), акцепторные

заместители увеличивают устойчивостьнуклеофила,

поскольку

уменьшают

отрицательный заряд (чем меньше заряд, тем более устойчива частица).

Нуклеофилы,

в

которых отрицательный заряд сосредоточен на атоме углерода,

называются карбоанионами. Образование карбоанионов в реакциях с биоорганическими веществами встречается редко. С участием нуклеофилов проходят

реакциинуклеофильного

замещения SN в ряду спиртов, галогеналканов, карбоновых

кислот (образование сложных эфиров, амидов),

гидролиз белков ,

липидов,

полисахаридов, олигосахаридов, нуклеофильного

присоединения АN

в ряду

карбонильных соединений (образование

полуацеталей, оксинитрилов, азометинов).

В окислении и восстановленбиологически

активных соединений коферментами

НАД+ и НАДФ+ участвует нуклеофил анион гидрид Н -.

133

Нуклеофильное замещение. Реакции нуклеофильного замещения заключаются в вытеснении одной нуклеофильной частицы, связанной с атомом углерода, другой нуклеофильной частицей. В общем виде можно представить:

 

У + R –> X

<==>

R –> У

+ X

 

У +

| б+ б -

 

 

б-

| б+

 

Х

– CХ –>

<==>

У <– C –

+

нуклеофил(1)

|

 

 

 

|

нуклеофил(2)

приходящая

 

 

 

 

 

уходящая группа

группа

 

 

 

 

 

 

 

Приходящий нуклеофил

должен

иметьдоступную

электронную пару (это

может быть анион или молекула,

в

которойесть

атом

с неподеленной парой

электронов) и атаковатьдругую

 

молекулу по электрофильному центру, замещая

имеющуюся нуклеофильную группу.

 

 

 

 

Наиболее распространеннымиin vitro

являются превращения:

А . Обратимая реакция: спирт – галогенопроизводное / галогенопроизводное

–спирт

R-OH + НHal <==> R- Hal + Н2О

Б . Галогенопроизводное-цианопроизводное

R- HalН+ CN ——> R- CN + ННа1

В . Галогенопроизводное-амин

R- Hal + NH3 ——> R- N H2 +НС 1

Г . Этерификация карбоновая( кислота -сложный эфир) R COOH + R1ОН<==> RCOOR 1 2 О

Д. Переэтерификация (сложный эфир превращается в другой сложный эфир, этерифицированный новым спиртом)

R COOR1

+ R2ОН<==> R COOR 2 + R1 ОН

Е . Амидирование (сложный эфир -амид )

 

RCOOR1 +

NH3 <==> RCO- N H2

+ R1ОН

Ж . Гидролиз сложный эфир – кислота,амид-

кислота)

RCOOR1 2О <==> RCOOH +

R1ОН

RCO NH2

2 О <==> R COOH +

N H3

З .Образование ангидрида

 

 

R COOH + R COOH <==> R C- O- С R + Н2 О

 

||

||

 

 

О

О

 

 

134

 

 

В биохимических процессах in vivo встречаютсяреакции

(Д– З).

Выделяют реакцииS

N 1 и SN 2,которые

различаются между собой образованием

переходных

состояний,

и, вследствие этого, могут сопровождаться изомерными

отличиями

в пространственном строении

продуктов

реакции . Реакция S N2.-

бимолекулярная: в образовании переходного состояния участвуют оба нуклеофила: «приходящий и уходящий». Процесс присоединения одного и удаления другого – синхронный: один нуклеофил с противоположной стороны подходит, а другой уходит.

RCOOR1 + R2 ОН <==> RCOOR 2 + R1 ОН

Если атом углерода в электрофильном центре, у которого происходит замещение, был оптически активным, то обязательно изменяется пространственное

строение – сменаодного

стереоряда на другой.

 

 

 

 

У

 

| б+ б -

<==> У

+

– … Х<==>

|

 

Х

+ – C –> Х

С>

У – С –

+

 

 

|

 

атом углерода

 

|

 

 

 

атом

углерода

 

тригональный плоское

 

атом углерода

 

тетраэдрический

 

строение

тетраэдрический

 

 

 

 

карбокатион

изменение стереоряда

 

 

 

переходное

 

состояние

 

 

 

 

Изменение стереоряда носит название«

Вальденовское обращение» по имени

ученого, впервые обратившего внимание на этот процесс.

 

 

 

 

Скорость реакцииS

N 2

зависит от концентрации обоих реагирующих веществ.

 

 

 

 

V = k [ Y] • [ RX ]

 

 

 

 

Заместителиакцепторы

оттягивают

электронную

плотность,

увеличивают

заряд

б +на

атоме углерода в электрофильном центре

и увеличивают

скорость

реакции нуклеофильного замещения.

 

реакцийin vivo

 

 

 

 

Реакция S N 1 -мономолекулярная

. Для

характерен механизм

нуклеофильного замещения

мономолекулярный S N 1, что связано с участием в

реакции катализаторафермента

. Этот же механизм возможен in vitro

в случае

образования устойчивого промежуточного карбокатиона

 

 

 

 

КритерииS

N 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

-концентрация приходящего нуклеофила Yне влияет на скорость реакции.

-добавление в среду уходящего нуклеофила X снижает скорость реакции.

Скорость реакцииS

N 1 зависит от концентрации только

RX и стабильности

образующегося промежуточного устойчивого карбокатиона.

 

 

 

V = k [ RX ]

135

Устойчивость карбокатиона увеличивается под влиянием донорных заместителей, снижающих дефицит электронной плотности в реакционном центре .

Увеличение устойчивости карбокатионов происходит в ряду:

 

СН3 + <СН 3СН2 + < СН(

3)2 СН+ <СН(

3)3 С +

Образование устойчивого промежуточного карбокатиона представлено на схеме

|

|

 

|

 

|

– Сб+ —>Х б-

<==> —С б+ … Хб-

<==>

С—

+ . . . Х

<==> ( – С+ ) ( Х)

|

|

 

|

 

|

 

переходное

ионная

пара ( карбокатион) (анион)

 

состояние

 

 

сольватированные

 

 

 

 

 

ионы

Карбокатион имеет плоское строение,

атом углерода в sp2 гибридном состоянии,

нуклеофильная частица может атаковать карбокатион с любой стороны плоскости.

Если в реакции участвует

определенный стереоизомер, то в случае механизмаS

N 1

возникает рацемизация

- образуются два разных стереоизомера (Dи

L)

в соотношении 1:1, содержащие новую нуклеофильную частицу. Ферментативные реакцииin vivo проходят по механизму S N 1, образуется всегда только тот один стереоизомер,который необходим для осуществления биохимических процессов.

Равновероятная атака нуклеофилом плоского карбокатиона с двух противоположных сторон в химической реакцииin vitro

У

|

У – С*

+ | > С —

 

 

 

 

|

 

 

 

 

– С* У

 

 

 

 

 

У

 

|

 

 

 

 

 

 

 

Пример :

 

 

 

D –бутанол-2 + НС1 ———Н> 2О

+

2-хлорбутан (рацемическая смесь)

L- бутанол-2 + НС1 ———> Н2 О

+

2-хлорбутан (рацемическая смесь)

136

рацемическая смесь энантиомеров 2- хлорбутана

3

СН3

|

|

С 1 – С – Н

Н – С – С1 2- хлорбутан

|

|

С2Н5

С2Н5

энантиомеры образуют рацемическую смесь в отношении 1:1

К биологическиважным

процессам нуклеофильного замещения относятся

А )образование и гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот,синтез триглицеридовжиров

Б ) образование с участием АТФ фосфорных эфиров глюкозы, рибозы, глицерола и других биоактивных соединений

R–ОН +АТФ —> ОR– –РО3Н2 +АДФ

В) образование гликозидных связей между молекулами углеводов или углеводов с веществами других классов(спиртами,аминами,тиолами).

Г)образование полимеров аминокислот-полипептидов и белков.

Д) образование вторичных , третичных, четвертичных аминов, что особенно важно в синтезе адреналина,холина,кофермента НАД+.

б

-

б +

б -

 

 

 

 

R —NH2 +

3 Х

———>

R —NH—CН3 + H Х

первичный амин полярная

связь

вторичный амин

 

 

Аминогруппа, содержащая неподеленную пару электронов,

 

несет

отрицательный заряд б -,

и

нуклеофильно

замещает

ион галогенида,

который

является уходящей группой.

 

 

 

 

 

 

 

Модельной реакцией,

объясняющей образование четвертичного атома азота

N-гликозидной

связи в

НАД+,

может

служить

образование

 

катиона

метилпиридиния. В процессе метилированпияридинайодометаном

получается

соль метилпиридиний йодида.

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

N

 

| +

 

 

 

СН3

 

 

 

 

 

137

Нуклеофильное присоединение N). Присоединение к двойной связи

карбонильной группы - характерный

для альдегидов и кетонов тип реакций.

В двойной связи карбонильной группы

атомы углерода и кислорода находятся

в

sp2- гибридном состоянии, электронная плотность смещена в сторону более

электроотрицательного

атома кислорода.

Создаются два

центра электрофильный

(δ+) и нуклеофильный (δ-),

которые

отзываются

на активные

частицы

с

противоположными

зарядами(-

и) ( + Донорные.)

заместители

подают

электронную плотность в сторону атома углерода и снижают величину заряда б +. Акцепторные заместители смещают электронную плотность от атома углерода и

увеличивают заряд

б+, усиливая поляризацию связи(

условно изображены разные

величины частичных зарядов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б

+

 

б–

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С>

= О

 

 

 

 

 

 

 

электрофильный

центр

 

 

 

 

нуклеофильный центр

 

атакует

частица ( -) или с

 

 

 

 

атакует частица (+ ),

 

повышенной

электронной

 

 

 

 

электрофил Е+.

 

 

плотностью, нуклеофил

Nu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Акцепторные заместители увеличивают скорости реакций, а донорные

заместители-

уменьшают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б+

 

 

 

 

б+

 

 

 

 

 

 

R —>

СН= О

 

 

R<— СН= О

 

 

 

 

 

 

 

донор

 

 

 

акцептор

 

 

 

Карбонильные соединения реагируют с достаточно большим количеством

 

нуклеофилов: НОН , RОН, НС

N, RSН, Н 2S,

RNН

2, НС1, НВг,

NаНSО3 (натрия

гидросульфит), RNHNH

 

2 (гидразин).

 

 

 

 

 

 

 

 

Механизм

реакции

становится ясным,

 

если

представить

схему

процесса

иобразование

 

двух возможных промежуточных соединений:

 

 

 

А ) Первым атакует электрофил(

Е+).

Образуется карбокатион,

на атоме

углерода

появляется

заряд

(+).Атом

углерода

имеет гибридизациюsp

2

и тригональное строение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б +

б -

 

 

 

( +)

 

 

 

 

 

 

 

> С = О + Е+ Nu

—> >С —О — Е

 

 

 

Б ) Первым атакует нуклеофил (Nu). Образуется анион, отрицательный заряд локализован на атоме кислорода, атом углерода тетраэдрический, гибридизация sp3 , образует 4 ковалентные связи.

138

Анион( вариант Б) в реакции присоединения карбонильной группы является более устойчивым,чемкарбокатион(вариант А)

Известно множество примеров существования устойчивых анионов :гидроксид НО , анионы неорганических и органических кислот RCOO.

Поэтому реакциис

участием карбонильной группы проходят по механизму

нуклеофильного присоединения

 

б+

б-

|

> С = О + Е+ Nu

—> −С—О ( - )

 

 

|

Nu

Для большинства реакций требуется кислая среда, которая способствует образованию карбокатиона, которому легко присоединяется нуклеофильная частица.

 

б

+

б-

 

+

Nu

 

 

> С = О + Н+

—> > С – О— Н + —> > С —О + Н+

 

 

 

 

 

 

 

|

 

Реакции нуклеофильного присоединения.

 

Nu

 

 

 

 

1.

Присоединение

воды.

Обратимая

гидратация

карбонильной

группы

происходит

при

растворении альдегида в воде, образуются гем-диолы,

которые

существуют только в растворе.

Формальдегид гидратирован

на 100%ацетальдегид,

на 58%,

ацетон –менее1%Эти.

данные

доказывают

снижение реакционной

способности карбонильной группы под влиянием заместителей с (+І) индуктивным

эффектом.

 

Водный раствор формальдегида

(ω=40%), носит название формалин,

используется для изготовле ния анатомических и гистологических препаратов.

R—СН =О +НОН<=>

R— СН – ОН

 

|

 

ОН гидрат альдегида

Трихлорэтаналь( жидкость, Т кип. 970 )присоединяет воду и существует в виде устойчивого кристаллического соединения хлоралгидрата СС13СНО •Н 2О, который использовали как успокаивающее и снотворное средство, и сейчас применяют в ветеринарии. Пример этого соединения подтверждает , что заместители с (–І) индуктивным эффектом увеличивают реакционную способность карбонильной группы и устойчивость продуктов присоединения.

ОН

|

С13С -СНО+НОН —>С 13 С –С – ОН

трихлорэтаналь

| хлоралгидрат

 

ОН

 

139

2. Образование полуацеталей и ацеталей. Альдегиды в кислой среде образуют полуацетали при взаимодействии со спиртами. Полуацеталь сохраняет свойства альдегида и качественные реакции, характерные для альдегидной группы («серебряного зеркала» и др.). При действии избытка спирта полуацеталь реакции нуклеофильного замещения превращается в ацеталь, который не сохраняет свойства альдегидной группы. Гидролиз полуацеталя и ацеталя возможен только в кислой среде и не возможен в щелочной

 

б+

б-

б+

б -

 

 

ROH

 

R— СН=О

 

—О R <=>

R—СН– ОН ——> R—СН – ОR

 

 

 

 

 

АN

|

SN

|

 

 

 

 

 

 

 

ОR

 

ОR

 

 

 

 

 

 

 

полуацеталь

ацеталь

Полуацетали образуются в качестве промежуточных соединений при обмене

пировиноградной

и

α

кетоглутаровой кислот с участием витамина В1

тиаминпирофосфата.

 

 

 

 

 

 

 

Циклические

полуацеталиполучаются

в

результате

внутримолекулярной

реакции АN,

которая

возможна

у гидроксиальдегидов,

если гидроксигруппа

находитсяв

положениях

4

или5

углеродной цепи.

 

 

 

 

 

 

б-

 

 

 

 

СН2– СН2– СН2 –СН2– СН=О

 

СН

2 –СН2– СН–ОН

|

 

 

 

 

 

<=>

|

|

 

О -Н

 

 

 

 

 

СН

 

2 – СН 2–О

 

 

 

 

 

 

 

 

циклический полуацеталь

5-гидроксипентаналь шестичленный

 

цикл носит название пирановый

 

 

 

 

 

 

 

пространственное строение« кресло»

Среди

природных

соединенийраспространены

циклическиеполуацетали

моносахаридов.( см.)

 

 

 

 

 

 

 

3. Образование циангидринов присоединение циановодорода НСN к карбонильной группе альдегидов и кетонов. Реакция катализируется основаниями, т.к. НСN – слабая кислота. Циангидрины распространены в природе, в растениях они связывают синильную кислоту. В горьком миндале содержится до 2- 4% циановодорода, много в вишневых и незрелых косточках абрикоса, поэтому они представляют опасность при употреблении в пищу или изготовлении варенья,

компотов с косточками.

 

Бензоциангидрининтезируется

некоторыми насекомыми и используется в

качестве защиты,парализуя дыхательный центр врагов-насекомых

140