Физиологически активные гетероциклические соединения, их строение и биологическая роль

Гетероциклическими соединениями называются соединения, в цикле которых кроме атомов углерода содержатся другие атомы (N, O, S), называемые гетероатомами. Обобщенно можно констатировать, что ненасыщенные пяти- и шестичленные гетероциклы обладают ароматическими свойствами и способны вступать в реакции электрофильного замещения подобно аренам и их производным. Однако, по мере накопления в гетероцикле электроотрицательных гетероатомов, напр., у шестичленных гетероциклов с двумя атомами азота, способность вступать в реакции электрофильного замещения резко падает, но одновременно возрастает способность к реакциям нуклеофильного замещения.

Многочисленные гетероциклические соединения играют важную роль в биологии, медицине и сельском хозяйстве. Они входят в состав важнейших природных продуктов: красящих веществ крови и растений (гемина и хлорофилла), нуклеиновых кислот, многих витаминов, антибиотиков и алкалоидов (к алкалоидам относятся гетероциклические азотсодержащие вещества растительного происхождения; значительная часть алкалоидов является биологически активными соединениями). Можно без преувеличения сказать, что почти вся фармакологическая химия является химией гетероциклических соединений.

Классификация гетероциклических соединений

Классификация гетероциклических соединений основана на двух признаках:

1. число атомов в гетероцикле (трех-, четырех-, пяти-, шестичленные гетероциклические соединения);

2. число гетероатомов (один, два и более).

Номенклатура: гетероциклические соединения чаще всего носят тривиальные названия.

Из всех гетероциклических соединений наибольшее значение имеют пяти- и шестичленные гетероциклические соединения. Для них типична высокая устойчивость гетероциклического кольца, которое в большинстве случаев не изменяется при химических превращениях.

I группа: 5-членные гетероциклы с 1 гетероатомом.

(гет1) Пиррол – слабое основание, ацидофобен, широко распространен в природе.

Производные пиррола

(гет2) Индол (бензопиррол). Встречается в природе в виде различных соединений, обладающих биологической активностью, к их числу принадлежит входящая в состав белков аминокислота триптофан.

(гет3) В организме триптофан претерпевает разнообразные метаболические превращения с образованием ряда соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности. При гидроксилировании триптофан превращается в 5-окситриптофан, который при карбоксилировании преобразуется в серотонин (биогенный амин). [5-окситриптофан= серотонин+ угл. газ, (гет4)] Серотонин – медиатор нервных процессов в ЦНС.

При декарбоксилировании триптофана образуется триптамин. Триптамин при окислительном дезаминировании превращается в индолилуксусную кислоту, которая является стимулятором роста растений. Если она образуется в животном организме, то выделяется с мочой. Содержание ее повышено при злокачественных образованиях. При декарбоксилировании индолилуксусной кислоты образуется скатол, который затем превращается в индол. Скатол и индол окисляются в скатоксил и индоксил, которые обезвреживаются в печени и в виде животного индикана выводятся из организма с мочой. По количеству индикана в моче судят о скорости гниения белков в кишечнике и о функциональном состоянии печени. (гет5)

Четыре пиррольных кольца образуют циклическую сопряженную систему, называемую порфином, которая входит в состав хлорофилла, гемоглобина, цитохромов.

Состав гемоглобина

Гемоглобин эритроцитов состоит из а) гема и б) растворимого в воде белка глобина.

Состав ГЕМА:

1. четыре пиррольных цикла;

2. четыре метиновых мостика (–СН=);

3. четыре радикала метила (–СН₃);

4. два радикала винила (–СН=СН₂);

5. два остатка пропионовой кислоты (–СН₂–СН₂–СООН);

6. ион железа (II) (Fe²⁺).

Молекула гемоглобина (гет6) является природным координационным комплексом. Атом железа в геме имеет октаэдрическую конфигурацию, т.е. железо здесь шестикоординационное. Ион Fe²⁺ находится в центре плоского порфиринового квадрата и связан с четырьмя атомами азота пиррольных колец. Пятым лигандом является остаток аминокислоты гистидина, с атомом азота которого осуществляется координационная связь атома железа. Шестое координационное место занимает кислород. Биологическая роль гемоглобина заключается в переносе кислорода в животном организме от легких к тканям.

Помимо кислорода шестое координационное место могут занимать другие лиганды. В частности, действие оксида углерода (II) как дыхательного яда связано с тем, что он гораздо прочнее связывается с ионом Fe²⁺, чем кислород и, таким образом, блокирует действие гемоглобина.

При извлечении гемоглобина из эритроцитов (при его обработке СН₃СООН и NaCl или при нагревании) гем отделяется от глобина, Fe²⁺ окисляется до Fe³⁺, и гем превращается в гемин – прочные красные кристаллы, содержащие анион хлора. В гемине ион Fe³⁺ комплексно связан с четырьмя атомами азота пиррольных остатков и ионно – с анионом хлора. Эта качественная реакция используется в судебной экспертизе. (гет7)

II группа: 5-членные гетероциклы с 2 гетероатомом

(гет8) Имидазол – более сильное основание, чем пиррол. Имидазольное кольцо входит в состав биологически важных веществ – пуриновых оснований, некоторых аминокислот и алкалоидов.

(гет9) Тиазол является основой многих лекарственных препаратов и участвует в образовании тиамина (витамина В₁).