Структура, функции, свойства биологически важных спиртов, аминов, карбоновых кислот и их производных

ЗАНЯТИЕ 9

СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫХ СПИРТОВ, АМИНОВ, КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ

Двухатомные фенолы: гидрохинон, резорцин, пирокатехин.

Хиноны - сильные окислители. Принимая два электрона и два протона, они восстанавливаются в соответствующие гидрохиноны.

Окислительно-восстановительная система хинон-гидрохинониграет важную роль в организме. По отношению к большинству органических субстратов эта система выступает в роли окислителя.

Гидрохиноночень быстро на холоде восстанавливает серебряные соли. Вследствие большой склонности к окислению гидрохинон применяется в фотографии в качестве проявителя.

Пирокатехин, или ортодиоксибензол, содержится в дубильных веществах и смолах. С FeCl₈ пирокатехин дает зеленое окрашивание. Он легко окисляется. Так, пирокатехин при воздействии холодом восстанавливает серебро из аммиачного раствора AgNО₃.

Резорцин, или м-диоксибензол. Получить резорцин можно из бензолдисульфокислоты сплавлением со щелочью. В присутствии щелочи резорцин тотчас превращается в фенолят, который затем разлагается кислотой.

С FeCl резорцин дает фиолетовое окрашивание. Он довольно легко окисляется, но по сравнению с пирокатехином гораздо более стоек. Так, например, он восстанавливает аммиачный раствор AgNO₈ лишь при нагревании, а не на холоде, как пирокатехин. Резорцин гораздо менее ядовит, чем пирокатехин и гидрохинон, в связи с чем применяется в медицине как антисептическое средство (например, в виде мазей).

Сложный эфир инозитола – фосфотидилинозит – входит в состав биологических мембран.

Полиамины: этилендиамин, путресцин, кадаверин.

Этилендиамин (1,2-диаминоэтан) H₂NCH₂CH₂NH₂ - органическое соединение класса аминов. Жидкость без цвета с запахом аммиака. Этилендиамин растворим в воде, спирте, хуже - в эфире, не растворим в бензоле. В водных растворах является сильным основанием.

Этилендиамин применяется для получения этилендиаминтетрауксусной кислоты взаимодействием с хлоруксусной кислотой. Его соли с жирными кислотами используются как смягчающие агенты при производстве текстиля. Также этилендиамин применяется в производстве красителей, эмульгаторов, стабилизаторов латексов, пластификаторов и фунгицидов. Этилендиамин токсичен; предельно допустимая концентрация его паров в воздухе составляет 0,001 мг/л.

Из полиаминов аиболее известны тетраметилендиамин, или путресцинH₂N(CH₂)₄NH₂, и пентаметилендиамин, или кадаверин H₂N(CH₂)₅NH₂. Их долгое время считали трупными ядами, т.е. веществами, образующимися при декарбоксилировании диаминокислот и обусловливающими ядовитость гниющих белков. В настоящее время выяснено, что ядовитые свойства белкам при гниении придают другие вещества.

Гидроксибутановые кислоты.

Биологическое значение имеют 2 изомера: 3-гидроксибутановая кислота и 4-гидроксибутановая кислота

3-гидроксибутановая кислота (ß-оксимасляная) – образуется в связанном состоянии с белком-ферментом в процессе биосинтеза высших карбоновых кислот, L –стереоизомер образуется в печени и в свободном виде выделяется в кровь, поступает в мышцы и выполняет энергетические функции, участвуя в реакциях цикла Кребса. Эта биологическая функция обозначается как «кетоновое тело».

СН₃ – СН – СН₂ - СООН

|

ОН

3-гидроксибутановая кислота | L -3-гидроксибутановая кислота

В биохимических реакциях in vivo 2 превращения имеют важное значение для протекания обмена веществ:

- реакция окисления (образуется 3–оксобутановая кислота):

СН₃ – СН – СН₂- СООН + НАД⁺ < —————> СН₃ – С – СН₂ - СООН + НАДН + Н⁺

| | |

ОН О

3-оксобутановая кислота

(ацетоуксусная)

- реакция дегидратации (образуется 2-бутеновая – кротоновая кислота):

СН₃ – СН – СН₂ - СООН <—————> СН₃ – СН = СН - СООН + Н₂О

| более сильный

ОН кислотный центр 2-бутеновая( кротоновая) кислота

В таком же направлении проходит реакция in vitro (по правилу Попова-Зайцева)

Дегидратация 3-гидроксибутановой кислоты относится к реакциям элиминирования. Из двух возможных изомеров образуется только один, поскольку атомы водорода, связанные с атомом углерода С-2 являются более подвижными. Вследствие акцепторного действия карбоксильной группы у атома С-2 образуется более сильный кислотный центр, чем у С-4. Реакция обратима, при гидратации кротоновой кислоты образуется 3-гидроксибутановая кислота.

4-гидроксибутановая (γ–оксимасляная, ГОМК)

СН₂– СН₂ – СН₂- СООН

‌|

ОН

В организме человека γ - оксимасляная кислота образуется в нейронах мозга и обладает фармакологическим эффектом, является медиатором торможения центральной нервной системы.

Используется как лекарственный препарат только в виде соли - натрия оксибутирата (Natrii оxybutyras), чтобы исключить образование лактона, поскольку лактон не обладает фармакологическом эффектом.

NB! Врач-анестезиолог должен 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 эффективность действия препарата снижается.

Образование эфиров.

a-Гидроксикислоты дегидратируются межмолекулярно, при этом спиртовые группы взаимодействующих молекул взаимно ацилируются карбоксильными группами этих кислот с образо­ванием устойчивых циклических сложных эфиров, называемых лактидами (от латинского названия молочной кислоты):

В этой электрофильно-нуклеофильной реакции каждая молеку­ла за счет спиртовой группы выступает нуклеофилом, а за счет карбоксильной группы - электрофилом. Лактиды, как и слож­ные эфиры, при кипячении с водой в присутствии кислот или щелочей гидролизуются с образованием исходных кислот.

у- и 5-гидроксикислоты, вследствие пространственной бли­зости —ОН и СООН-групп, очень неустойчивы и легко отщеп­ляют молекулу воды вследствие внутримолекулярного ацилирования спиртовой группы с образованием устойчивых пяти- и шестичленных циклических внутренних сложных эфиров -лактонов:

11. Оксокарбоновые кислоты – альдегидо- и кетонокислоты: глиоксиловая, пировиноградная, щавелевоуксусная, β-оксомасляная, a-оксоглутаровая.

Оксокислоты - соединения, содержащие одновременно карбоксильную и альдегидную (или кетонную) группы. В соответствии с этим различают альдегидокислоты и кетокислоты.

Простейшей альдегидокислотой является глиоксиловая кислота НОСН₂СООН.

Она содержится в недозрелых фруктах, но по мере созревания ее количество уменьшается. Встречается во многих растениях, например свекле и винограде.

Важную роль в биохимических процессах играют следующие кетонокислоты:

Пировиноградная, щавелевоуксусная и a-оксоглутаровая кислоты участвуют в цикле трикарбоновых кислот. Ацетоуксусная кислота относится к b-кетонокислотам. При переаминировании a-кетонокислоты образуют соответствующие a-аминокислоты.

Пировиноградная кислота СН₃С(О)СООН - одно из центральных соединений в цикле трикарбоновых кислот. Она является также одним из промежуточных продуктов при молочнокислом и спиртовом брожении углеводов.

Своим названием пировиноградная кислота обязана тому, что впервые была выделена при пиролизе виноградной кислоты. Ее соли называют пируватами. Пировиноградная кислота легко декарбоксилируется при нагревании с разбавленной и декарбонилируется - с концентрированной серной кислотой. При окислении пировиноградная кислота превращается в ук­сусную кислоту и оксид углерода (IV).

Декарбоксилирование пировиноградной кислоты in vivo протекает в присутствии фермента декарбоксилазы и соответствующего кофермента. Получающийся при этом ацетальдегид, не теряя связи с коферментом («активный ацетальдегид»), может присоединяться к a-кетонокислотам, образуя a-ацето-a-гидроксикислоты. Пировиноградная кислота сильнее уксусной и способна к енолизации. Важное её производное – фосфоенолпировиноградная кислота (фосфат енольной формы пиро­виноградной кислоты). В организме анион этой кислоты – фосфоенолпируват – образуется в процессе гликолиза и служит предшественником пирувата.

Ацетоуксусная кислота СН₃С(О)СН₂СООН — пример b-кетонокислоты. В свободном состоянии представляет сиропообразную жидкость, уже при комнатной температуре медленно выделяющую диоксид углерода. Получающийся при этом ацетон образуется первоначально в енольной форме. Подобное декарбоксилирование – общее свойство b-кетонокислот.

Ацетоуксусная кислота образуется in vivo в процессе метаболизма высших жирных кислот и как продукт окисления b-гидроксимасляной кислоты наряду с продуктами ее превращений накапливается в организме у больных сахарным диабетом (так называемые «ацетоновые» или «кетоновые» тела).

a-оксоглутаровая кислота –субстрат цикла Кребса, метаболит реакций трансаминирования и дезаминирования аминокислот.

HOOC-CH_2-CH_2-CO-COOH

ОН О

β-гидроксибутират ацетон

Реакции окислительного декарбоксилирования кетокислот:

1. Окислительное декарбоксилирование ПВК

1. Окислительное декарбоксилирование альфа-кетоглутората

Таутомерия - явление обратимой изомерии, при которой два или более изомеров легко переходят друг в друга. Вещество содержит одновременно несколько изомерных структур, находящихся в равновесии в определенном соотношении. Понятие кето-енольная таутомерия подразумевает, что химическое соединение может существовать в нескольких формах: кетоновой и енольных, находящихся в динамическом равновесии. Образование енольной формы связано с перемещением атома водорода из соседнего СН-кислотного центра к более электроотрицательному атому кислорода.

(термин «енол» означает, что гидроксильная группа находится у атома углерода в sp² –гибридном состоянии. Вспомните название – фенол)

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.

Например, лактат – енольная форма вещества, пируват - кетоформа

ЗАНЯТИЕ 9

СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫХ СПИРТОВ, АМИНОВ, КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ