Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ КЛАССЫ СОЕДИНЕНИЙ*
Поли- и гетерофункциональные соединения
Превращение любого углеводорода в функциональные производные может приводить не только к монозамещённым углеводородам, но и к полизамещённым производным углеводородов, известным как полифункциональные соединения.
Особенности химического поведения полифункцио- нальных соединений
В зависимости от характера нескольких функциональных групп, имеющихся в молекуле, различают собственно поли- функционалъные соединения. в которых все функциональные группы одинаковы, и гетерофункциональные соединения, содержащие различные функциональные группы. В приведённой ниже таблице представлены только тс типы полифункцио- нальных соединений, которые имеют существенное значение для функционирования живых систем.
Полифункциональные соединения
Гетерофункциональные соединения
Полиолы: гликоли, глицерины, тетриты, пентиты, гекситы
Полиамины Поликарбоновые кислоты (дикарбоновые кислоты, трикарбоновые кислоты)
Аминоспирты Аминокислоты Оксикислоты Альдегидокислоты Кетокислоты Гетероциклические соединения (азотсодержащие гетероциклы, гетероциклы с разными гетероатомами)
Одновременное присутствие нескольких функций в молекуле существенно меняет поведение каждой из них, особенно если расстояние между функциональными группами тем или
* Гл. 1 является продолжением гл. 2, разд. 2.1 и 2.2 учебного пособия ” Б иоорга ни чес кая химия. Биолоптчески важные классы соединений*’. СПб.:Изд-во С.-Петербургского университета, 1998.
иным образом облегчает их взаимное влияние или взаимодействие. Такие изменения в химическом поведении наиболее заметны а) в особенностях проявления соединениями кислотноосновных свойств, б) в протекании различных процессов циклизации и в) в хелатообразовании.
Кислотно-основные свойства полифункциональных соединений отличаются от таковых у монофункциональных производных вследствие увеличения числа электроноакцепторных заместителей. Как известно, кислотные свойства спиртов определяются лёгкостью разрыва связи RO-H и стабильностью образующегося при этом аниона:
С2Н5—ОН == Н® + С2Н5—0е.
У вицинальных (от лат. vicinus - соседний) диолов (называемых также гликолями^ наблюдается как облегчение отрыва протона вследствие дополнительно появившегося -1-эффекта второй группы ОН, так и дополнительная стабилизация глико- лят-аниона за счёт участия в стабилизации второго атома кислорода:
8® 8®
^н2-сн2 ^н® + <^н2-^н2^ _ сн^—сн2 он о—н он^о® о® но •
Увеличение числа вицинальных групп ОН усиливает этот эффект, вследствие чего кислотность полиолов растёт в ряду глицерины > гликоли > спирты:
СпиртрКа
СН2ОН-СНОН-СН2ОН13,3
НОСН2-СН2ОН15,1
СН3СН2ОН18
Увеличение числа гидроксильных групп приводит к более высокой растворимости полиолов в воде за счёт образования большего числа водородных связей с растворителем, а увеличение возможностей межмолекулярной ассоциации молекул по мере роста числа гидроксигрупп повышает температуру кипения и температуру плавления. Аналогичная закономерность
наблюдается и у ароматических полиоксисоединений (полифенолов). Вместе с тем кислотные свойства фенолов, в отличие от полиолов алифатического ряда, уменьшаются по мере уве
личения числа гидроксильных групп, так как электронодонорные группы ОН (+М-эффект, превышающий -1-эффект!) упрочняют связь О-Н и дестабилизируют полифенолят-анион.
Спирты
Темп.
плав., °C
Темп.
кип., °C
Этанол
-114
78
Пропанол
-126
97
Этиленгликоль
13
197
Глицерин
18,6
290
Пентаэритрит (пентаол)
260
—
Фенол
41
182
я-Крезол
35
202
Пирокатехин (1,2-диоксибензол)
105
245
Резорцин (1,3-диоксибензол)
110
280
Гидрохинон (1,4-диоксибензол)
172
286
Пирогаллол (1,2,3-триоксибензол)
132-133 "
309
Флороглюцин (1,3,5 -триоксибензол)
217-219
Возгонка
Кислотно-основные свойства дикарбоновых кислот отлит
чаются ещё более резкой зависимостью от числа и взаимного расположения функциональных групп. Диссоциация этих соединений по кислотному типу проходит в две стадии:
Первая стадия диссоциации протекает существенно легче второй по следующим причинам: 1) электроноакцепторное влияние недиссоциированной карбоксильной группы облегчает отрыв первого протона и стабилизирует образующийся карбанион; 2) электронодонорное влияние карбоксилат-аниона затрудняет отрыв второго протона и дестабилизирует двухзарядный анион. Очевидно, что указанные эффекты проявляются тем сильнее, чем меньше расстояние между карбоксиль-
ными группами, что заметно сказывается на величинах констант диссоциации по первой (ki) и второй (кз) ступеням (эти константы отражены в приведённой ниже таблице значениями РК«).
Кислота
рКа 1
рКа2
Уксусная СН3СООН
4,76
Щавелевая НООС-СООН
1,23
4,27
Малоновая НООС-СН2-СООН
2,83
5,70
Янтарная НООС-(СН2)2-СООН
4,19
5,64
Фталевая НООС-СбЩ-СООН (орто)
2,58
5,62
Терефталевая HOOC-C^H^COOH (пара)
3,51
—
Малеиновая НООС-СН=СН-СООН (цис)
1,92
6,23
Фумаровая НООС-СН^СН-СООН (транс)
3,02
4,38
Бензойная СбЩСООН
4,17
—
Наличие в молекуле плоскостного элемента (двойной связи или ароматического кольца) может служить причиной сближения функциональных групп в пространстве; это делает возможным образование водородных связей между ещё недиссо- циированной карбоксильной группой и анионом, возникшим при диссоциации по первой ступени:
невыгодносвязи невозможно
Такая стабилизация предопределяет как большую разницу в величинах kj для геометрических изомеров, так и различия в величинах kj, которые отсутствуют в ряду насыщенных ди карбоновых кислот.
Кислотно-основные свойства дикарбонильных соединений изменяются особенно сильно в структурах с 1,3-положениями карбонильных групп. В молекулах 1,3-дикарбонильных соединений взаимное влияние двух электроноакцепторных групп >С=О вызывает резкое повышение С-Н-кислотности метиленового звена, расположенного между ними. Для ацеги л ацетона (пентандиона-1,3) рКа = 9, поскольку протон легко отрывается, давая сильно стабилизованный анион (у СН4 для аналогичного разрыва связи С-Н рКа = 40):
сНз-с-^-сНзоносНз-с-^-сНзоноононсн3—с—нс^с—сн3сн3—с—нс^с—сн3
сНз-с-^-сНзоно
сНз-с-^-сНзоно
он
он
сн3—с—нс^с—сн3
сн3—с—нс^с—сн3
Две формы, связанные между собой внутримолекулярным перемещением протона, называют таутомерами (греч. tautos - тот же самый, meios - часть), а само явление существования таутомеров - таутомерией. Существенной особенностью таутомерии является то, что связанные таутомерными взаимопревращениями формы всегда находятся в равновесии между собой, сдвинутом в ту или иную сторону в зависимости от строения таутомеров. В рассматриваемом случае равновесие уста-
навливается между формой, содержащей карбонильную группу (кетоном) и формой, включающей гидроксильную группу при атоме углерода, связанном двойной связью (енолом); такой вид таутомерии называется кето-енолъной таутомерией. В случае 1,3-дикарбонильных соединений дополнительным фактором, стабилизирующим енольную форму, служит возможность образования внутримолекулярной водородной связи между атомом кислорода p-карбонильной группы и енольным гидроксилом, причем в образующемся шестичленном цикле имеется возможность для достаточно эффективной делокализации электронного облака за счёт р,л-сопряжения:
R^H^-R — ^хО О Y=O'
Такая водородная связь не осуществима ни в кето-форме ди- карбонильного соединения, ни в монокарбонильных соединениях. Об эффективности процесса перехода кетон-енол (ено- лизации) можно судить по соотношению обоих таутомеров в различных карбонильных соединениях.
Соединение
Содержание кето-формы, %
Содержание енола, %
СНг^— СНз
98,9998
0,0002
СНт-С—сн2—^ —СН3
23,6
76,4
оо
СНз—с—сн2—с—ос2н5
92,5
7,5
оо
сн3— <^—сн — С—ОС2Н5 о &Н5 О
30
70
Циклизация полифункциональных соединений является их характерным свойством и связана как с возможностью нескольких функциональных групп реагировать между собой, так и с возможностью участия нескольких функциональных групп
во взаимодействии с каким-либо полифункциональным ре
агентом.
Циклизация диолов:
внутримолекулярная дегидратация под воздействием концентрированной H2SO4 с образованием циклических простых эфиров; такие эфиры являются хорошо смешивающимися с водой органическими растворителями умеренной полярности с высокой растворяющей способностью:
"QH -ш
m® -H®v°x
СН2 СНт-У* СН2 СН2 Тетрагид-* (^Н^Нз СН^СНз рофураи ;
межмолекулярная дегидратация; также приводит к циклическим простым эфирам;
НО-СНгСНтОН що /СНрСН^
НО-СНуСНгОИ ЧИг^С
в) образование циклических ацеталей:в) образование циклических ацеталей:
в) образование циклических ацеталей:
в) образование циклических ацеталей:
Циклизация дикарбоновых кислот; характерна только для кислот, у которых между карбоксильными группами находятся от 2 до 5 метиленовых звеньев. При этом кислоты с двумя и тремя метиленовыми звеньями претерпевают дегидратацию:
О^С-СНтСНтС-О Надевание СНу^Н? Янтарный (5н»qH —Н2О ОС^Х^О ангидрид ;
Янтарная кислота^Э
Э=С-€Н2СН2СН2-С=О Нагревание -Z^X ...
ГI • СН2 а-> Глутаровый
он♦он -НгО хзнусСх ангидрид.
Глутаровая кислотам
ЦиклопентанонЦиклопентанонКислоты с более длинной цепью циклизуются с одновременными дегидратацией и декарбоксилированием, поскольку дегидратация без последующего декарбоксилирования приводит к семи- и восьмичленным циклическим структурам, которые энергетически менее выгодны, чем пяти- и шестичленные циклы:
Циклопентанон
Циклопентанон
СНуСНуС^О
СНуСНуС=О Адипиновая ф^
кислотакислотаСебациноваяСебациноваякислотакислота-О-оIH-О-оIHЦиклогексанонЦиклогексанон+ СО2+ н2о.+ СО2+ н2о.
кислота
кислота
Себациновая
Себациновая
кислота
кислота
-О
-о
IH
-О
-о
IH
Циклогексанон
Циклогексанон
+ СО2
+ н2о.
+ СО2
+ н2о.
Циклизация 1,4-дикарбонильных соединений проходит аналогично циклизации 1,4-алкандиолов, однако в случае 1,4-ди- карбонильных соединений в циклизации участвуют диенди- ольные таутомеры 1,4-дикетонов. При этом следует обратить внимание на то, что во всех перечисленных ниже реакциях образуются пятичленные циклы с гетероатомами (т.е. производные фурана, тиофена или пиррола):
RC CR'
ф2ф2RRСН-СНТиофены qс н® . RC^ \CR'СН-СНТиофены qс н® . RC^ \CR'1 С P2S5 Нагревание1 С P2S5 НагреваниеCNH;CNH;нсн-снэдФураныRC' XCR'нсн-снэдФураныRC' XCR'
ф2
ф2
R
R
СН-СН
Тиофены qс н® . RC^ \CR'
СН-СН
Тиофены qс н® . RC^ \CR'
1 С P2S5 Нагревание
1 С P2S5 Нагревание
CNH;
CNH;
нсн-сн
эдФураны
RC' XCR'
нсн-сн
эдФураны
RC' XCR'
Д ис 1 [диолД ис 1 [диолсн-сн
Д ис 1 [диол
Д ис 1 [диол
Пирролы
Хелатообразование также отражает склонность полифунк- циональных соединений к образованию циклических структур
вследствие одновременного участия в реакции нескольких функциональных групп. Хелатообразованием (или хелатированием) называют процесс возникновения дополнительных нековалентных связей в тех структурах, в которых атом водорода (или металла), связанный ковалентной связью, ориентирован между двумя электронодонорными фрагментами одной и той же молекулы, предоставляющими этому атому водорода (или металла) дополнительное электронное облако. Эти фрагменты хелатообразователя как бы схватывают атом водорода (или металла) подобно клешне, что и стало причиной названия таких структур (хелаты, от греческого цеХ - клешня).
Одним из частных случаев хелатирования является образование внутримолекулярной водородной связи в моноанионах дикарбоновых кислот или в 1,3-дикарбонильных соединениях,
описанное ранее:
Малеинат-ионМалеинат-ионАцетилацетонАцетилацетонАцетоуксусный эфирАцетоуксусный эфир
Малеинат-ион
Малеинат-ион
Ацетилацетон
Ацетилацетон
Ацетоуксусный эфир
Ацетоуксусный эфир
Хелатообразование особенно часто происходит с участием атомов металлов с недозаполненными внутренними электронными оболочками - Fe, Си, Ni, Со, Мп, Mg и т.п. Поэтому хелатирование нередко используют для выделения ионов этих металлов из смесей и для их количественного определения. Кроме того, образование окрашенных соединений (вследствие возникновения хромофорных групп в виде протяжённой сопряжённой системы) даёт возможность использовать хелатирование для качественного обнаружения как полифункциональ- ных группировок, так и ионов металлов. Ион Fe+3 образует с ацетилацетоном енолят:
Комплекс
—СН3 красного цвета
Хелатная структура этого енолята формируется за счёт заполнения внутренней электронной оболочки атома Fe электронным облаком сопряжённых л-связей. Образовавшаяся сопряжённая система, замкнутая с участием незаполненных внутренних орбиталей иона железа, обусловливает окраску комплекса. Аналогичное сильное окрашивание (от сине-зелёного до красного) возникает при взаимодействии с солями Fe+3 почти всех фенолов, особенно двух- и трёхатомных.
Бело-голубой осадок Си(ОНЬ растворяется в глицерине, давая прозрачный раствор глубокого синего цвета вследствие образования комплексного глицерата меди, В этом случае хелатирование осуществляется заполнением внутренних орбита- лей атома меди электронными облаками неподелённых электронных пар атомов кислорода:
Н2С~ОННО“<^Н2
Н2<Н2<ИИно™сн2но™сн2нс—ОН + Си2+ + НО—сн
Н2<
Н2<
И
И
но™сн2
но™сн2
Полный оксим (диоксим) бутандиона-2,3 (диацетила) взаимодействует с ионами Ni2+ с количественным образованием труднорастворимого комплекса красного цвета, в котором, помимо двух ковалентных связей иона Ni с атомами азота, возникают донорно-акцепторные связи с участием неподелён- ных электронных пар атомов азота, заполняющих внутренние орбитали атома металла:
нз2 ^N-OHнз2 ^N-OHН3С^НН3С^Н
нз2 ^N-OH
нз2 ^N-OH
Н3С^Н
Н3С^Н
Диоксим диацетила используется для количественного определения ионов никеля под названием "реактива Чугаева (или димети/1глиоксима\
Н3Н3+ CU2++ CU2+Раствор голубого цветаРаствор голубого цветаОчень стабильные хелатные комплексы, образуемые 1,3-ди- карбонильными соединениями с ионами тяжёлых металлов, растворимы в умеренно полярных органических растворителях (диэтиловый эфир, бензол, хлороформ) и могут быть экстрагированы из водных растворов, содержащих ионы металлов:
Н3
Н3
+ CU2+
+ CU2+
Раствор голубого цвета
Раствор голубого цвета
Ацетилацетон (2 молекулы)
Среди полифункциональных соединений совершенно особое место принадлежит угольной кислоте и её разнообразным моно- и дизамещённым производным. Это соединение следует рассматривать как дикарбоновую кислоту, дающую два ряда функциональных производных.
Производное
Монозамещение
Ди замещение
Диссоциация
но—с—ое II
рКа 6,5 О
®о—с—о0 II о
Соли
НО—С—О Na
О
Кислые, бикарбонаты
NaO —С—О Na
О
Полные, карбонаты
Хлорангидриды
НО—С—С1
О Хлоругольная кислота
С1— с— С1
II о Фосген
Эфиры
RO—С—ОН
О Алкоксиугольная кислота
RO —С—OR
II о
Диалкил- карбонат
Амиды
h2n—с—ОН II о
Карбаминовая кислота
h2n—с—nh2
О
Карбамид (мочевина)
Наличие нескольких функциональных групп при одном и том
*ner^
же атоме С является причиной определённых особенностей в поведении производных угольной кислоты, не характерных для дикарбоновых кислот. Известно, что угольная кислота Н2СО3 при попытке выделить её в свободном состоянии распадается на Н2О и СО2.
Хлоруголъная кислота в свободном виде также не существует; известны лишь её сложные эфиры (хлоругольные эфиры, хлорформиаты):
RO-CO-CL
Алкилоксиуголъные кислоты существуют только в виде солей:
RONa + СО2—► RO—<J—ONa.
О
Диэфиры, подобно другим полифункциональным соединениям, легко образуют циклические продукты, например, в ходе реакции переэтерификации:
ROxHO-CHR'/О-CHR’
—О +т ^ о=(2|
ИСКно—CHR’\о—CHR'.
1,3-Диоксоланон
Карбаминовая кислота в свободном виде не существует; известны её сложные эфиры (уретаны, или алкилкарбаматы) и соли (карбаматы):
h2nh2n:—o°nh4®:—o°nh4®H2N—С— ONH4;H2N—С— ONH4;NH3NH3АминолизАминолизK2CO3 + ROH + NH3.K2CO3 + ROH + NH3.Карбаминовая кислота, не существующая в свободном видеКарбаминовая кислота, не существующая в свободном виде
h2n
h2n
:—o°nh4®
:—o°nh4®
H2N—С— ONH4;
H2N—С— ONH4;
NH3
NH3
Аминолиз
Аминолиз
K2CO3 + ROH + NH3.
K2CO3 + ROH + NH3.
Карбаминовая кислота, не существующая в свободном виде
Карбаминовая кислота, не существующая в свободном виде
(при попытке получения она распадается на СО2 и NH3), тем не менее образует большую группу производных, достаточно стабильных, чтобы существовать в природе и интенсивно использоваться. Так. среди уретанов обнаружены биологически активные вещества, например, транквилизатор "мепробамат" (1) и инсектицид "карбарил' (2):
:—nh2:—nh2
:—nh2
:—nh2
"Внутренний ангидрид" карбаминовой кислоты называется изоциановой кислотой. Этому соединению с общей формулой OCNH присуще таутомерное превращение в циановую кислоту HOCN, причём равновесие в этом процессе сдвинуто влево;
НО-1С-^Н^Н * O=C=NH —» НО—C=N
1 -Н2°1 ©1 ©
'о '|“Н]-Н®
Карбаминовая кислотаУ>1* ^
О—С—N— eo^-C^N
Изоциановая кислота Циановая кислота
Явная л-избыточность изоциановой кислоты приводит к её лёгкой тримеризации. Образующаяся в результате тримеризации циануровая кислота также таутомерна. Её ароматическая форма и считается собственно циануровой кислотой; эта форма называется лактимной; таутомер циануровой кислоты - изо- циануровая кислота - является лактамной формой; такой вид таутомерии называется лактим-лактамной таутомерией*
цияхцияхАналогичный вид таутомерии присущ амидам карбоновых кислот, чем и объясняется пониженная активность амидов в реак-
циях
циях
-Н® —C-^N——-C^N—+ Н®—C=N—
+ Н® ^о * * ^>0-н® он
Эфиры изоциановой кислоты (изоцианаты) образуются при взаимодействии алкилгалогенидов с изоциановой кислотой в присутствии оснований:
OC=NH ^ ^C^N® ^* r-n=c=o + Cl®
Алкилизоцианат
Нитрил карбаминовой кислоты (цианамид) можно рассматривать и как амид циановой кислоты, и как ангидрид мочевины. Цианамид также таутомерен.
— н® ^ f^Q
Na—C=NHN=C=NH —-HN=C=N
Карбодиимид +ц
+ Ch -NaCl
’ f NTH"" h® ®'^
Cl—C^N --Д H^N—C=N ===5.HN~C=N.
Хлорциан"Цианамид + н®
Кислый характер NH-группы в цианамиде подтверждается тем, что он образует соли; некоторые из них, например, цианамид кальция используют как удобрение.
Амид карбаминовой кислоты (карбамид, мочевина) является одновременно диамидом угольной кислоты; это важнейший азотсодержащий продукт обмена веществ у млекопитающих. Строение мочевины может быть описано резонансом следующих канонических структур;
XNH2XNH2
XNH2
XNH2
Мочевина при медленном нагревании теряет молекулу NH3, превращаясь в биурет, способный в щелочных растворах обра-
эовывать с ионом Си2+ комплекс фиолетового цвета (биуретовая реакция):
/МН2 150-160°xNH2 -nh3/МН2 150-160°xNH2 -nh3№{2 IL,№{2 IL,/ ^=0X )с=о nh2 h2n/ ^=0X )с=о nh2 h2nО=С—NH—тО=С—NH—т
/МН2 150-160°
xNH2 -nh3
/МН2 150-160°
xNH2 -nh3
№{2 IL,
№{2 IL,
/ ^=0
X )с=о nh2 h2n
/ ^=0
X )с=о nh2 h2n
О=С—NH—т
О=С—NH—т
/NH2 O=cf/NH2 O=cfМочевина ацилируется аналогично аминам, образуя N- ацилмочевины, которые называют также уреидами. Введение в молекулу мочевины ацильных остатков дикарбоновых кислот даёт циклические уреиды. Многие уреиды являются довольно эффективными снотворными средствами:
/NH2 O=cf
/NH2 O=cf
/№ Ro^cf ~ |Урсид ^NH С—О
/NH о=а/NH о=аБарбитуровая кислота Д (малонилмочевина) uБарбитуровая кислота Д (малонилмочевина) uЖ»2 СН-^Н-СН, XNH—С=О СН3
/NH о=а
/NH о=а
Барбитуровая кислота Д (малонилмочевина) u
Барбитуровая кислота Д (малонилмочевина) u
Бромизовал(а-бромизовалерилмочевина)
Азотистый аналог мочевины называется гуанидином. Его можно получить обработкой цианамида хлористым аммонием; гуанидин представляет собой очень сильное основание, ибо сопряжённая с ним кислота (полностью симметричный катион гуанидиния) сильно стабилизирована делокализацией положительного заряда:
© А
^н^н^^н^^н,^
С1е ж"2NH2 Cle^Hi
Гуанидиний-хлорид2
LL2. Биологически важные гетероциклические соединения
Функциональные группы, содержащие гетероатом(ы) и связанные с остатками углеводородов, представляют собой один из возможных вариантов включения органогена в органическое соединение. Вторым вариантом является включение гетероатома в состав кольца циклического соединения. Такие соединения носят название гетероциклических (или гетероциклов). Гетероциклы могут содержать любые из ранее рассмотренных функциональных групп, поэтому многие свойства гетероциклов аналогичны свойствам соответствующих функциональных производных ациклического и карбациклического рядов. Вместе с тем взаимное влияние гетероатомов, находящихся в составе кольца, друг на друга, а также влияние этих гетероатомов на имеющиеся в молекуле функциональные группы приводят к появлению существенных особенностей в химическом поведении гетероциклов, позволяющих выделить эти соединения в отдельный класс. Класс этот очень многочислен, и в данном разделе будут рассмотрены только биологически важные соединения.
Гетероциклы с одним гетероатомом
Пятичленные гетероциклы: пиррол, индол
Пиррол представляет собой пятичленное гетероциклическое соединение с одним атомом азота (структура, нумерация атомов, а также принятая для пиррола система обозначений атомов греческими буквами приведены далее):
Р’ рнс-сн// 4 5 \\HQ3 1JCH
Н
Разнообразные производные пиррола, равно как и его гомолога, объединены в одну группу, именуемую "пирролы". Для пирролов характерно наличие ароматического секстета л-элек- тронов, в образовании которого принимает участие неподелён- ная электронная пара гетероатома; энергия делокализации у пиррола составляет примерно 110 кДж/моль (сравни с 80
NOK© Пиррол-калийNOK© Пиррол-калийКОНКОНRMgBrRMgBrкДж/моль у фурана и 120 кДж/моль у тиофена), те. по степени проявления ароматичности пиррол занимает промежуточное положение между своими кислород- и серосодержащими аналогами. Наличие л-облака делает пирролы слабыми основаниями л-типа (рКа = 0), в то время как участие пары электронов атома азота в образовании л-секстета лишает атом азота основных свойств и одновременно придаёт группировке NH слабокислый характер (для N-H рКа ~ 15). Пирролы проявляют свои кислотные свойства в реакциях с ионами металлов, образуя соответствующие соли (в приведённых далее формулах пиррол-калий и пиррол-магнийбромид):
NOK© Пиррол-калий
NOK© Пиррол-калий
КОН
КОН
RMgBr
RMgBr
Z ©
N е MgBr Пиррол-магний бромид
В реакциях электрофильного замещения (S^), свойственных ароматическим системам, пиррол реагирует подобно анилину и фенолу, причём одновременно проявляет и некоторые свойства диеновых углеводородов, особенно в кислой среде (см. раздел 2.1.1 в [8]).
Пиррол входит в состав молекул многих биологически важных соединений, причём чаще всего в виде полигетеро-
пир рольными соединениями:пир рольными соединениями:циклических систем типа порфина, называемых также тетра-
пир рольными соединениями:
пир рольными соединениями:
Порфины, частично или полностью замещённые в положениях 1~8, называются порфиринами. Наличие кислых Н (обведены кружком) обусловливает возможность взаимодействия порфиринов с ионами металлов с образованием комплексов, которые представляют собой жизненно важные соединения.
К таким соединениям относятся: гемоглобин (содержит ион
Fe2+, является переносчиком кислорода у млекопитающих; при биологическом окислении превращается в билирубиноиды - красящие вещества желчи), хлорофилл (красящее вещество высших растений, содержит ион Mg2+), витамин В12, или ци- анкобаламин (содержит ион Со2+), ферменты группы цитохромов (с ионом Fe2+), ферменты каталаза (катализирует распад перекиси водорода) и пероксидаза (катализирует перенос кислорода от перекиси водорода к подлежащему окислению субстрату). Окраска всех вышеперечисленных соединений является следствием наличия хромофорной группы в виде протяжённой системы сопряжённых связей.
При присоединении к пирролу 4-х атомов водорода (по двойным связям) получается насыщенный вторичный циклический амин, называемый пирролидином. В этом соединении атом азота проявляет сильные основные свойства:
О "^ О ^ О «е
NH NH NH?
Простейшее кетопроизводное пирролидина - 2-пирроли- дон - легко винилируется ацетиленом до N-винилпирролидо- на; последний путём гладко протекающей полимеризации превращается в поливинилпирролидон (ПВП), используемый в каче
стве заменителя плазмы крови:
NHNHнс—сннс—снсн=сн2сн=сн2Полимеры^ зация *Полимеры^ зация *? ПВП—(<5н—СН2)П-? ПВП—(<5н—СН2)П-
NH
NH
нс—сн
нс—сн
сн=сн2
сн=сн2
Полимеры^ зация *
Полимеры^ зация *
? ПВП
—(<5н—СН2)П-
? ПВП
—(<5н—СН2)П-
Пирролидиновый цикл содержится и в природной аминокислоте пролине (пирролидон-2-карбоновой кислоте):
Индол (бензпиррол) представляет собой бициклическую молекулу с конденсированными бензольным и пиррольными циклами:
Индолы, как и пирролы, являются слабыми NH-кислотами; для проявления кислотности необходимо, чтобы не было заместителей при атоме азота (в положении I). Электрофильное замещение протекает главным образом в положении 3 из- за влияния л-облаков бензольного кольца, а положение 2 атакуется только в тех случаях, когда положение 3 занято заместителем. Индольный фрагмент содержится в молекулах следующих биологически важных соединений:
:Н3:Н3[НСкатол,конечный продукт[НСкатол,конечный продукт^NHГетероауксин,стимуляторроста растений^NHГетероауксин,стимуляторроста растенийН2СООНН2СООНТриптофан, незаменимая аминокислотаH2CH2N(CH3)2Триптофан, незаменимая аминокислотаH2CH2N(CH3)2ННн2сн2мн2н2сн2мн2биодырадации триптофанабиодырадации триптофанаНСеротонин,поддерживает тонус сосудов,действует на центральнуюнервную системуНСеротонин,поддерживает тонус сосудов,действует на центральнуюнервную системуннННБуфотенинвызывает повышение кровяногодавления, парализует двигательныецентрыБуфотенинвызывает повышение кровяногодавления, парализует двигательныецентры
:Н3
:Н3
[Н
Скатол,конечный продукт
[Н
Скатол,конечный продукт
^NHГетероауксин,стимуляторроста растений
^NHГетероауксин,стимуляторроста растений
Н2СООН
Н2СООН
Триптофан, незаменимая аминокислота
H2CH2N(CH3)2
Триптофан, незаменимая аминокислота
H2CH2N(CH3)2
Н
Н
н2сн2мн2
н2сн2мн2
биодырадации триптофана
биодырадации триптофана
Н
Серотонин,поддерживает тонус сосудов,действует на центральнуюнервную систему
Н
Серотонин,поддерживает тонус сосудов,действует на центральнуюнервную систему
н
н
Н
Н
Буфотенин
вызывает повышение кровяногодавления, парализует двигательныецентры
Буфотенин
вызывает повышение кровяногодавления, парализует двигательныецентры
Индол получил свое тривиальное название от названия индиго - синего красителя природного происхождения, выделенного из растения Indigofera tinctoria. Растение содержит гликозид, названный индиканом, агликоном которого служит производное индола - индоксил.
ИндоксилИндоксил
Индоксил
Индоксил
Шестичленные гетероциклы: пиридин, хинолин
Пиридин является шестичленным гетероциклическим соединением с атомом азота (структура, нумерация атомов и принятая для пиридина система обозначений атомов гречески
ми буквами приведены далее).
Это соединение так же, как и пиррол, отличается ароматическим характером (см. раздел 2.1.1 в [8]). Ароматический секстет пиридина формируется взаимным перекрыванием пяти р- электронов атомов углерода и одного р-электрона атома азота. Неподелённая электронная пара атома азота не вовлечена в ароматический секстет, поэтому пиридин обладает ярко выраженными основными свойствами (рКа = 5). Как всякий третичный амин, пиридин образует водорастворимые соли с кислотами и способен к образованию солей четвертичных аммониевых оснований:
Энергия образования ароматической системы пиридина составляет примерно 134 кДж/моль (ср. с ПО кДж/моль для пиррола), однако из-за наличия в кольце атома азота л- электронное облако рассредоточено по кольцу неравномерно, и электронная плотность в различных положениях неодинакова:
Если принять за единицу л-электронные плотности на атомах углерода в молекуле бензола, то для пиридина наблюдаются следующие величины плотности л-электронного облака: N - 1,586; С„ = Са- - 0,849; Ср = Ср- - 0,947; Су - 0,822. Аналогичное распределение л-электронной плотности по шестичленному кольцу характерно для молекулы нитробензола (по отношению к нитрогруппе). И так же, как в случае нитробензола, реакции, электрофильного замещения SE у пиридина протекают чрезвычайно медленно и требуют жестких условий:
Снижение л-электронной плотности в кольце пиридина делает возможным, как и в случае нитробензола, протекание реакций нуклеофильного замещения S^:
Неподелённая электронная пара атома азота может участвовать в создании связи с протоном; при этом образуются 23
соли пиридиния. Эта электронная пара может быть также предоставлена для образования донорно-акцепторной связи с атомом кислорода; возникающие при этом соединения называются N-окисями пиридина;
Пиридиновая структура во многом определяет химическое поведение ряда биологически активных веществ, участвующих в различных биологически важных процессах: пиридоксин (витамин В6), необходимый для развития и функционирования кожных покровов; пиридоксаль (витамин группы В), требующийся для роста микроорганизмов; никотиновая кислота и никотинамид (витамины группы Р), недостаток которых приводит к пеллагре; пиридоксальфосфат, являющийся участником реакций переаминирования; гидразид изоникотиновой кислоты, используемый под названием "тубазид" для лечения туберкулёза, и др.:
ПиридоксинПиридоксинПиридоксаль кислотаПиридоксаль кислотаНикотинамидНикотинамидТубазидПиридоксальфосфатТубазидПиридоксальфосфат
Пиридоксин
Пиридоксин
Пиридоксаль кислота
Пиридоксаль кислота
Никотинамид
Никотинамид
ТубазидПиридоксальфосфат
ТубазидПиридоксальфосфат
При каталитическом гидрировании пиридин, присоединяя шесть атомов водорода, превращается в циклический вторичный амин пиперидин; это соединение является более сильным основанием, чем пиридин (рКа = 11,2):
„ NH Пиперидин„ NH Пиперидин
„ NH Пиперидин
„ NH Пиперидин
Пиридиновый и пиперидиновый циклы широко распространены в природе в составе алкалоидов пиридинового ряда: общеизвестного никотина, повышающего кровяное давление за счёт сужения кровеносных сосудов; кониина, ядовитого начала болиголова крапчатого (Conium maculatum), обладающего способностью вызывать паралич окончаний двигательных и осязательных нервов; лобелина, содержащегося в лобелии (Lobelia inflata) и возбуждающего дыхание; пиперина, носителя вкуса чёрного перца:
Хинолин (бензпиридин) химически очень сходен с пиридином.
54
6АГ^3
iO'^
81
Хинолин
Реакции электрофильного замещения протекают преимущественно в бензольном кольце с атакой в положения 5 и 8; в пиридиновом кольце преобладают реакции нуклеофильного замещения. Сильные окислители разрушают бензольное кольцо, не затрагивая пиридинового; при этом образуется пиридин- 2, 3-дикарбоновая кислота. Среди производных хинолина осо-
бенно интересен 8-оксихинолин (оксин), в молекуле которого имеется внутримолекулярная водородная связь между кислым протоном фенольного гидроксила и неподелённой электронной парой пиридинового азота. Оксин очень легко образует комплексы с ионами металлов, построенные как феноляты этих металлов с донорно-акцепторной связью, возникающей с участием неподелённой электронной пары атома азота и вакантных орбиталей иона металла:
ОксинОксин
Оксин
Оксин
Благодаря этому 8-оксихинолин и его производные обладают бактерицидными свойствами, так как ионы некоторых металлов необходимы для жизнедеятельности микроорганизмов, а извлечение этих ионов из питательной среды путём комплексообразования с различным образом замещёнными оксинами нарушает протекание процессов, жизненно важных для микроорганизмов.
Изохинолин схож с хинолином по химическим свойствам.
4
1
Изохинолин
Ядро изохинолина входит в состав алкалоидов опия.
Гетероциклы с двумя гетероатомами
Пятичленные гетероциклы: пиразол, имидазол, тиазол
,N2 NH 1 Пиразол (1,2-азол),N2 NH 1 Пиразол (1,2-азол)О.NH1Имидазол(1,3-азол)О.NH1Имидазол(1,3-азол)V1ТиазолV1Тиазол
,N2 NH 1 Пиразол (1,2-азол)
,N2 NH 1 Пиразол (1,2-азол)
О.
NH
1
Имидазол(1,3-азол)
О.
NH
1
Имидазол(1,3-азол)
V
1
Тиазол
V
1
Тиазол
Пиразол содержит в пяти член ном цикле два атома азота: так называемый "пиррольный", неподелённая электронная пара которого включена в ароматическую систему, и атом азота, связанный с углеродным атомом цикла двойной связью и сохранивший неподелённую электронную пару незадействован- ной. Таким образом, в одной молекуле существуют одновременно как центр основности (атом азота с неподеленной электронной парой), так и центр кислотности (протон группы NH). Вследствие этого пиразол ы димеризованы за счёт образования межмолекулярных водородных связей:
Как и пирролы, пиразолы проявляют свой кислый характер образованием солей с ионами металлов:
[Ag(NH3)2]OH[Ag(NH3)2]OH
[Ag(NH3)2]OH
[Ag(NH3)2]OH
В то же время непредельность выражена у пиразолов меньше, чем у пирролов: эти соединения труднее окисляются и восстанавливаются. Вследствие этого 4,5-дигидропиразолы (2-пиразо- лины) получают не прямым гидрированием пиразолов, а конденсацией ациклических соединений. Реакции Se (нитрование, галогенирование, сульфирование) протекают преимущественно в положении 4. Замещённым пиразолам свойственна прототропная таутомерия, выражающаяся в миграции протона от "пиррольного" атома азота к неподелённой электронной паре двоесвязного атома азота:
Пиразольное кольцо входит в состав известного анальгетичес-Пиразольное кольцо входит в состав известного анальгетичес-
Пиразольное кольцо входит в состав известного анальгетичес-
Пиразольное кольцо входит в состав известного анальгетичес-
кого и противовоспалительного средства амидопирина (4-ди- метиламино-2,3-диметил-1 -фенилпиразолона-5).
_уСН3
XN—СН3
N
Амидопирин |с6н5
Имидазол является структурным изомером пиразола и по химическим свойствам имидазолы очень схожи с пиразолами. Правда, увеличение расстояния между двумя атомами азота в цикле имидазолов по сравнению с таковым в пиразолах обусловливает более высокую основность имидазола вследствие меньшего влияния ’’пиррольного” азота на центр основности. Тем не менее имидазолы, как и пиразолы, склонны к таутомерии и легко димеризуются:
В реакциях Se электрофил направляется преимущественно в положения 4 и 5 (нитрование) или 2, 4 и 5 (бромирование). Так же как и пиразолы, имидазолы относительно устойчивы к окислению и восстановлению. Имидазольный цикл играет важную роль для проявления биологической активности таких соединений, как аминокислота гистидин и биогенный амин гистамин.
ГистидинГистидинГистаминГистамин
Гистидин
Гистидин
Гистамин
Гистамин
Остаток гистидина входит в состав активных центров многих ферментов, что связано со способностью имидазольного цикла протонироваться и депротонироваться при значе- 28
ниях pH, близких к физиологическим. При декарбоксилировании гистидина образуется гистамин, медиатор нервной системы; это соединение оказывает также сосудорасширяющее действие, а повышение его концентрации в крови является симптомом аллергических заболеваний.
Тиазол представляет собой тиоаналог имидазола. Замена "пиррольного" атома азота на атом серы исключает проявление тиазолами кислотных свойств, и эти соединения проявляют только основные свойства (хотя и слабые), образуя кристаллические соли:
Реакции SE протекают с замещением положения 5, а реакции Sn дают продукты замещения в положение 2:
х^ ^. у ^ ^¥
ПенициллиныПенициллиныРеакции присоединения (в частности гидрирование) идут с трудом, а 2-аминотиазол способен к диазотированию, что свидетельствует о достаточно выраженной ароматичности тиазолов. Продукт восстановления тиазола - тиазолидин - может быть получен только обходным путем, а не прямым гидрированием тиазола. И тиазоловый, и тиазолидиновый циклы входят в молекулы биологически ценных соединений, например сульфамидных препаратов (сульфатиазол) и антибиотиков группы пенициллина:
Пенициллины
Пенициллины
^Knh-so2-(^-nh2
Сульфатиазол
Шестичленные гетероциклы: пиридазин, пиримидин, пиразин
Шестичленные гетероциклические соединения с двумя
гетероатомами достаточно разнообразны по своему строению, так как можно представить большое число вариантов размещения пар из трех гетероатомов (N, О, S) в различных положениях шестичленного кольца. Если один из гетероатомов представлен азотом, соединения имеют общее название азинов, которое конкретизируется указанием природы второго гетероатома: диазины (второй гетероатом - азот), оксазины (второй гетероатом - кислород) и тиазины (второй гетероатом - сера).
Пиридазин(1,2-диазин)Пиридазин(1,2-диазин)Пиримидин (1,3-диазин)Пиримидин (1,3-диазин)Пиразин (1,4-диазин)Пиразин (1,4-диазин)
Пиридазин(1,2-диазин)
Пиридазин(1,2-диазин)
Пиримидин (1,3-диазин)
Пиримидин (1,3-диазин)
Пиразин (1,4-диазин)
Пиразин (1,4-диазин)
Оксазины и тиазины, содержащие двухвалентные атомы
кислорода и серы, соответственно, имеют в циклической системе только две двойные связи, поэтому во всех этих структурах существует изомерия, определяемая размещением ’’дополнительного” атома водорода; это положение указывается в виде номера атома, около которого находится водород, и символа Н (ниже приведены в качестве примера структурные формулы 2Н- 1,4-оксазина и 4Н-1,4-оксазина):
О 4Н-1,3- ТиазинО 4Н-1,3- Тиазин2Н-1,4- Тиазин2Н-1,4- Тиазин:&QООQ
О 4Н-1,3- Тиазин
О 4Н-1,3- Тиазин
2Н-1,4- Тиазин
2Н-1,4- Тиазин
4Н-1.2-4Н-1,3-2Н-1,4-4Н-1,4-4Н-1.2-
ОксазинОксазинОксазинОксазинТиазин
В молекулы биологически важных гетероциклических соединений оксазины и тиазины входят в модифицированном виде; таков, например, феноксазин, лежащий в основе строения некоторых красящих веществ грибов, лишайников и бабочек.
Феноксазин (нумерация атомов та же)Феноксазин (нумерация атомов та же)4 з
Феноксазин (нумерация атомов та же)
Феноксазин (нумерация атомов та же)
•О"
2,3-Дигидротиазин
Фенотиазиновая структура встречается в инсектицидах, красителях и лекарственных препаратах (нейролептических средствах); 2,3-дигидро-1,3-тиазиновое ядро включено в состав антибиотиков цефалоспориновой группы.
Отличительной чертой диазинов является наличие в их молекулах ароматического секстета электронов, образованного с сохранением на каждом из атомов азота неподелённой электронной пары (подобно пиридину). Поэтому химические свойства диазинов схожи со свойствами пиридина: они являются слабыми основаниями (дают соли с НС1 и пикриновой кислотой), очень устойчивы к окислению, слабо реагируют в условиях реакций Se; реакции S^ протекают достаточно легко только с галогендиазинами, причём ряд реакционной способности последних выглядит следующим образом: 2-хлорпири- мидин > 4-хлорпиримидин > 4-хлорпиридазин а 3-хлорпири- дазин = хлорпиразин (в реакции с ионом О2М-СбН4-О ).
Среди диазинов наиболее биологически значимы производные пиримидина (1,3-диазина). Пиримидиновый цикл, наряду с замещённым тиазолом, входит в состав витамина Bj (или тиамина, или аневрина), недостаток которого в организме приводит к полиневритам и вызывает болезнь "бери-бери”. Пиримидин также является основой многочисленных снотворных препаратов группы барбитуратов, представляющих собой производные барбитуровой кислоты (малонилмочевины); замещённые барбитуровые кислоты применяются, как правило, в виде натриевых солей, что и объясняет название всей группы:
Веронал (барбитал), 5,5-диэтилбарби гуровая кислота
Все оксипиримидины обнаруживают способность к прототропной таутомерии, заключающейся в миграции протона между структурами гидроксидиазина и кетоформы (лактимлактамная таутомерия), причём для барбитуровой кислоты рентгеноструктурный анализ показал преобладание трикетоформы (см. выше на примере формулы веронала). Аналогичное свойство характерно и для аминопиримидинов. Возмож
ность существования этих производных пиримидина в кетоформах особенно существенна для проявления биологической активности так называемых пиримидиновых оснований нукле
иновых кислот - тимина, урацила и цитозина, так как только в кето-форме возможно образование сильных водородных связей между остатками оснований в цепях нуклеиновых кислот (тимин - аденин и цитозин - гуанин в ДНК, урацил - аденин и цитозин - гуанин в РНК):
Урацил (2,4-диоксипиримидин)Урацил (2,4-диоксипиримидин)Тимин(2,4-диокси- 5-метилпиримидин)Тимин(2,4-диокси- 5-метилпиримидин)
Урацил (2,4-диоксипиримидин)
Урацил (2,4-диоксипиримидин)
Тимин
(2,4-диокси- 5-метилпиримидин)
Тимин
(2,4-диокси- 5-метилпиримидин)
Н3<Н3<0”'"Н—NH0”'"Н—NHNHNHЦитозин(4-амино-2-оксипиримидин)Цитозин(4-амино-2-оксипиримидин)ГОВодородные связи между остатками тимина и аденина в ДНКГОВодородные связи между остатками тимина и аденина в ДНК
Н3<
Н3<
0”'"Н—NH
0”'"Н—NH
NH
NH
Цитозин
(4-амино-2-оксипиримидин)
Цитозин
(4-амино-2-оксипиримидин)
ГО
Водородные связи между остатками тимина и аденина в ДНК
ГО
Водородные связи между остатками тимина и аденина в ДНК
Среди биологически важных соединений встречаются вещества, молекулы которых содержат несколько циклов с несколькими гетероатомами. Наибольшее биологическое значение имеет пурин, бициклическая структура с четырьмя атомами азота, которую можно представить себе как результат конденсации имидазольного и пиримидинового циклов. За счёт атомов азота, имеющих неподелённые электронные пары (поло-
жения 1, 3, 7), пурин проявляет слабые основные свойства (рКа 2,4), образуя соли с кислотами. Вместе с тем наличие "пиррольной" группы NH обусловливает наличие слабых кислотных свойств (рКа 8,9) и возможность образования солей при взаимодействии с ионами металлов. Гидроксилсодержащие пурины существуют преимущественно в лактамной форме. Так, 2,6,8-триоксипурин ^мочевая кислота) представляет собой слабую двухосновную кислоту (рКа 5,4 и 10,6), что свидетельствует о преимущественном существовании мочевой кислоты в форме 2,6-диокси-8,9-дигидропуринона-8 (2), а не в форме (1) с лактамными группировками в шестичленном кольце:
ПуринПуринМочевая кислотаМочевая кислота(1) 2,6-Диокси-8,9-дигидропуринон-8(1) 2,6-Диокси-8,9-дигидропуринон-8
Пурин
Пурин
Мочевая кислота
Мочевая кислота
(1) 2,6-Диокси-8,9-дигидропуринон-8
(1) 2,6-Диокси-8,9-дигидропуринон-8
При нагревании с формамидом мочевая кислота превращается в ксантин (2,6-диоксипурин), который, наряду с гипоксантином (6-оксипурином) и мочевой кислотой, возникает в организме как продукт метаболизма пуриновых оснований аденина (6-аминопурина) и гуанина (2-амино-6-оксипурина), входящих в состав нуклеиновых кислот.
КсантинКсантинГипоксантинГипоксантин
Ксантин
Ксантин
Гипоксантин
Гипоксантин
Помимо нуклеиновых кислот, биологически значимыми соединениями являются и другие производные пурина; многие пурины обладают разнообразной активностью, в первую очередь противоопухолевой и антилейкемической (6-меркапто- пурины). а также иммунодепрессантной, гипохолестеринемиче- ской, антивирусной, антиаллергической и бронхорасширяющей. Среди них имеются кардиостимуляторы, вещества с вазо- диляторной, диуретической и гипотензивной активностью. Широко известны такие природные производные пурина с N- метильными группами как кофеин, теобромин (диуретик), теофиллин (диуретик и сосудорасширяющий препарат).
Кроме пуринов, в природе существуют и другие би- и даже трициклические конденсированные системы с гетероатомами в циклах, которые являются биологически важными соединениями. Так, в яичном белке и в ткани печени содержится необходимый для роста микроорганизмов витамин Н (биотин). В красящих веществах крыльев бабочек содержатся производные ещё одного бициклического гетероцикла птеридина (пиразинопиримидина). Как и в случаях пиримидина и пурина, биологически важные птеридины содержат окси- и аминогруппы:
Ксантоптерин (лимонница)Ксантоптерин (лимонница)
Ксантоптерин (лимонница)
Ксантоптерин (лимонница)
Такого типа птеридиновые соединения также встречаются среди витаминов, в частности, витаминов группы В, к которым относится и фолиевая кислота (витамин Вс, птероил-по- ли-Ь-глутаминовая кислота), содержащаяся в дрожжах, печени, сердце, мышцах, овощах (шпинат, цветная капуста и др.), фруктах. При недостатке фолиевой кислоты в организме развивается анемия и лейкопения, множественные нарушения органов пищеварения. Известно несколько фолиевых кислот, различающихся количеством остатков глутаминовой кислоты (от 3 до 6). Ниже приведена структура птероилмоноглутаминовой кислоты.
HiHiн—NHн—NHсн—сн2Глутаминовая кислотасн—сн2Глутаминовая кислотаОНОНNRrCJNRrCJоо4-Амино-бензойнаякислота4-Амино-бензойнаякислотаН2х^КН2х^КNNN^NH2 2-Амино-4-окси- 6-метил птеридинN^NH2 2-Амино-4-окси- 6-метил птеридин
Hi
Hi
н—NH
н—NH
сн—сн2
Глутаминовая кислота
сн—сн2
Глутаминовая кислота
ОН
ОН
NRrCJ
NRrCJ
о
о
4-Амино-бензойнаякислота
4-Амино-бензойнаякислота
Н2х^К
Н2х^К
N
N
N^NH2 2-Амино-4-окси- 6-метил птеридин
N^NH2 2-Амино-4-окси- 6-метил птеридин
Примечательно, что среди полиазагетероциклических соединений с четырьмя атомами азота система птеридина является единственной, которая может быть восстановлена либо по пиримидиновому, либо по пиразиновому циклу. Фолиевая кислота действием NaBH4 гидрируется по пиразиновому ядру (точно так же, как в организме под влиянием редуктазы) до 5,6,7,8 -тетрагидропроизводных.
Производным птеридина является и ещё один из витаминов группы В - витамин В2 {рибофлавин), содержащийся в молоке (и поэтому называемый также лактофлавином), в печени, и необходимый для нормального функционирования кожи и глаз, а также для нормального роста живого существа.
СН2—(СНОН)з—сн2он
г. БИОПОЛИМЕРЫ И ИХ СТРУКТУРНЫЕКОМПОНЕНТЫ
Пентады и белки
Аминокислоты
Аминокислоты - соединения, в молекулах которых одновременно присутствуют амино- и карбоксильные группы. Существует несколько классификаций аминокислот.
В соответствии с расстоянием между7 амино- и карбоксильной группами аминокислоты делятся на а-, 0-, у-, 8- и е- аминокислоты. Аминокислоты с более удалёнными друг от друга функциональными группами объединяют в обозначении ©-аминокислоты:
Ура сн3—сн2—сн—соонnh2а-Аминомасляная кислотаУра сн3—сн2—сн—соонnh2а-Аминомасляная кислотан—сн2—СООНн—сн2—СООНnh2nh2р-Аминомасляная кислотар-Аминомасляная кислота
Ура сн3—сн2—сн—соон
nh2
а-Аминомасляная кислота
Ура сн3—сн2—сн—соон
nh2
а-Аминомасляная кислота
н—сн2—СООН
н—сн2—СООН
nh2
nh2
р-Аминомасляная кислота
р-Аминомасляная кислота
nh2—сн—сн— ch—сн—соон.
у-Аминомасляная кислота
В зависимости от соотношения числа амино- и карбо
ксильных групп аминокислоты разделяют на моноамино-
монокарбоновые, моноаминодикарбоновые, диаминомонокарбоновые, диаминодикарбоновые и т.п.
NH2—СН2—СООНNH2—СН2—СООНГлицин, моноаминомоно- карбоновая кислота
NH2—СН2—СООН
NH2—СН2—СООН
НООС—СН2—СН—СООН Аспарагиновая кислота, моно- Iаминодикарбоновая кислота
NH2
h2n—(СН2)4—сн—СООНfLh2h2n—(СН2)4—сн—СООНfLh2Лизин, диаминолюно- карбоновая кислотаЛизин, диаминолюно- карбоновая кислота
h2n—(СН2)4—сн—СООНfLh2
h2n—(СН2)4—сн—СООНfLh2
Лизин, диаминолюно- карбоновая кислота
Лизин, диаминолюно- карбоновая кислота
Для природных ос-аминокислот, являющихся чрезвычайно биологически важными соединениями, принята своя классификация ( см. таблицу на с. 37).
R
Название
Обозначение
a) Heiimpaj
гъные гидрофобные аминов
кислоты
CH3
Аланин
Ala
(СНз)2СН (СН3)гСНСН2 C2H5CH(CH3)
СбН5СН2
СНз5(СН2)2
Валин
Лейцин
Изолейцин Фенилаланин Метионин
Vai Leu
Не Phe Met
Trp
Pro
Триптофан :
Пролин
( 3-COOH
б) Нейтральные гидрофильные аминокислоты
H
Глицин
Uly
СНтОН
Серин
Ser
СН3СН(ОН)
Треонин
Thr
НОСбН4СН2
Тирозин
Tyr
H2NC(=O)CH2
Аспарагин
Asn
H2NC(=O)CH2CH2
HSCH2
Глутамин Цистеин
Gin
Cys
в) Кислые аминокислоты (ионогенные)
ноос—сн2
Аспарагиновая кислота
Asp
ноос—СН2СН2
Глутаминовая кислота
Glu
г) Основные аминокислоты (ионогенные)
H2N(CH^4
Лизин
Lys
H2N— с—NH (СН2)3
Аргинин
Arg
NH
1 JIСН1
Гистидин
His
NH
Все «-аминокислоты можно рассматривать как результат замены атома водорода в простейшей «-аминокислоте - глицине - на тот или иной остаток R. Если R ^ Н, «-углеродный атом является асимметрическим (помечен звёздочкой). В соответствии с природой остатка R, называемого боковой цепью. «- аминокислоты подразделяют на 4 группы, отличающиеся гидрофильностью или гидрофобностью боковых цепей (группы а) и б) в приведённой на с. 37 таблице), а также способностью боковой цепи проявлять кислотные или основные свойства (группы в) и г) в упомянутой таблице). Важно и то, что аминокислоты, представленные в группах а) и б), имеют нейтральные, т.е. не кислые и не основные боковые цепи.
Стереохимия природных «-аминокислот характеризуется тем, что все они, кроме глицина, имеют асимметрический атом углерода (атом, связанный и с амино-, и с карбоксильной группами), конфигурация которого может быть отождествлена с конфигурацией L-глицеринового альдегида путём цепи химических превращений; при этом эти превращения либо не должны затрагивать хиральный центр, либо реакции должны протекать строго стереоспецифично. Следовательно, все природные «-аминокислоты являются L-энантиомерами.
НCH-OН
h2nсн3 —* но—|—Н = носн2он
соонсн2он сн-о
L-Алан инL-Глицериновый альдегид
У треонина, наряду с асимметрическим «-углеродным атомом, существует ещё один хиральный центр (атом С, связанный с ОН-группой).
H2NHpH—COOHH2NHpH—COOHсн-онСН3сн-онСН3Н2№<Н-СООННСНСНСН3Н2№<Н-СООННСНСНСН3СН-О нон НОн сн2онСН-О нон НОн сн2онсн=о нон но—|—нсн2онсн=о нон но—|—нсн2он
H2NHpH—COOH
H2NHpH—COOH
сн-он
СН3
сн-он
СН3
Н2№<Н-СООННСНСН
СН3
Н2№<Н-СООННСНСН
СН3
СН-О нон НОн сн2он
СН-О нон НОн сн2он
сн=о нон но—|—н
сн2он
сн=о нон но—|—н
сн2он
L-ТреонинL-ТреонинL-АллотреонинL-АллотреонинL-ТреозаL-ТреозаL-ЭритрозаL-Эритроза
L-Треонин
L-Треонин
L-Аллотреонин
L-Аллотреонин
L-Треоза
L-Треоза
L-Эритроза
L-Эритроза
Из-за этого у треонина, который имеет конфигурацию асимметрических атомов, тождественную таковой у L-трсозы, имеется диастереомер, называемый аллотреонином, у которого конфигурация асимметрических атомов совпадает с конфигурацией хиральных центров L-эритрозы. Аналогичными особенностями отличается и изолейцин, в молекуле которого р- углеродный атом также является вторым асимметрическим центром.
Конфигурация асимметрического центра аминокислот имеет существенное значение для проявления биологической активности как самих аминокислот, так и более крупных молекул, в состав которых входят аминокислоты. Оптическая чистота остатков аминокислот сильно сказывается на биологических свойствах олиго- и полимерных соединений, мономерами которых служат остатки аминокислот (эти соединения называются пептидами^ Многие лекарственные формы пептидной природы получают, модифицируя природный пептид D-аминокислотами с целью пролонгирования действия препарата, так как пептиды с D-аминокислотами становятся менее подверженными разрушающему действию пептидаз, ’’узнающих" только остатки L-аминокислот. Введение D-аминокислоты в пептид может, в зависимости от места модификации, пролонгировать активность или уничтожить её, а в ряде случаев такое изменение структуры сообщает пептиду новую биологическую активность.
Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества с довольно высокими температурами плавления (> 230 °C). Большинство кислот достаточно хорошо растворимо в воде и практически нерастворимо в спирте и диэтиловом эфире, что указывает на солеобразный характер этих веществ. Специфическая растворимость аминокислот является наиболее ярким проявлением одновременного присутствия аминогруппы (имеющей основной характер) и карбоксильной группы (характеризующейся кислотными свойствами) в одной и той же молекуле, благодаря чему аминокислоты принадлежат к амфотерным электролитам (амфолитам). В водных растворах
RRНесуществующая в природе форма!Несуществующая в природе форма!и в твёрдом состоянии аминокислоты существуют только в виде внутренних солей:
R
R
Несуществующая в природе форма!
Несуществующая в природе форма!
R
Биполярный ион (цвиттерион), внутренняя соль
Амфотерный характер аминокислот проявляется в их способности взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями.
1. Взаимодействие с кислотами:
H3N+-CHR-COO + НХ -> X H3N+-CHR-COOH; H3N+-CHR-COO + R'COOH -> R'COO H3N+-CHR-COOH . 2. Взаимодействие с основаниями:
H3N+-CHR-COO~ + NaOH -> H2N-CHR-COO Na+;
H3N+-CHR-COO" + В: ^ H.N-CHR COO B+H .
Таким образом, кислотно-основное равновесие для аминокислоты может быть описано следующим образом:
Н31^®_н©* н3у® _н© Н2р
Ч™ ^ ^гГ ?HRe
соон „ соо® „ соо°
Аммонийная Р^Ч Цвиттер-ион Р 2 Карбоксилат соль
* +Н — уменьшение pH, - Н® —увеличение pH
Если к раствору аминокислоты приложено электрическое поите, то в зависимости от pH раствора ионы аминокислоты будут перемещаться по-разному: в кислой среде при pH < 7 аммонийные ионы аминокислот передвигаются к отрицательному полюсу (катоду), а в щелочной среде при pH > 7 карбо- ксилат-ионы передвигаются к положительному полюсу (аноду). Значение pH, при котором перемещения в электрическом поле не наблюдается, соответствует наличию в равновесной
смеси только биполярного иона. Оно обозначается р! и называется изоэлектрической точкой. Изоэлектрическая точка определяется соотношением р! = 1/2 (рКа! + рКа,).
Из уравнения равновесия следует, что как потеря протона, так и его приобретение молекулой аминокислоты происходят двухступенчато, поэтому кривая титрования аминокислот всегда имеет как минимум две точки перегиба, соответствующие переходам катион -> цвиттер-ион (и обратно) и цвиттерион -> анион (и обратно). Легкость отцепления или присоединения протона в сильной степени зависят от природы R; у большинства биологически важных аминокислот р! лежит в пределах значений pH от 6 до 8 (pH клеточной жидкости - около 7,4). Полное превращение биполярного иона в катион наступает при pH = 2-3, а полностью анионная форма существует при pH = 9-10. Строго говоря, биполярный ион в качестве носителя кислотных свойств имеет группу НзМ+, а основные свойства в биполярном ионе проявляет карбоксилат-анион. Сопряжённое кислоте -СООН основание -СОО является более слабым, чем основание NHj, сопряжённое кислоте NHj+, по причине делокализации отрицательного заряда в карбоксил ат-анионе, не имеющей места в группе -NH?. Поэтому кислота -СООН является более сильной кислотой по сравнению с кислотой H3N"1", т.е. более склонна к отщеплению протона и переходу в сопряжённое основание СОО', а основание -NH2 как более сильное, чем основание СОО', скорее склонно к удерживанию протона в форме сопряжённой кислоты H3N"1". Если в боковой цепи аминокислоты имеются кислотные или основные группы, значение р! и ионные формы при различ-ных pH сильно меняются.
Аминокислота
pl
pH = 7,4 (клеточная жидкость)
pH = 5,0 (дистиллированная вода)
Leu
5,98
анион
катион
Asp
3,47
анион
анион
Более низкие (по сравнению с незамещёнными карбоновыми кислотами) значения pH, характеризующие кислотность аминокислот, отражают электроноакцепторное влияние аминогруппы (-1-эффект). Аналогичным образом основность аминокислот понижена по сравнению с аминами вследствие отрицательного 1-эффекта карбоксильной группы. Расположение HjN+ и СОО при одном и том же атоме углерода приводит к тому, что аммониевая группировка снижает основные свойства карбокси лат-аниона вследствие делокализации отрицательного заряда, а потеря протона группой HjN+ уменьшает это влияние, так как -1-эффект аминогруппы много меньше -I- эффекта аммониевого азота.
Аминокислота
pKai
рКа2
СН3СН2СООН
4,38
нет
H3N+CH(CH3)COO-
2,34
9,69
ch3ch2nh2
нет
10,67
Удаление аминогруппы от карбоксильной (перемещение аминогруппы от а-углеродного к р-, у-атомам и так далее) не уничтожает возможности образования цвиттер-ионов, но заметно изменяет величины рКа, характеризующие кислотные и основные свойства биполярных ионов.
Амино- кислота
__рКа
a-NH2
£-NH2
a-COOH
•/СООН
Lys
9,0
10,5
2,2
нет -
Glu
9,7
нет
2,2
4,3
Отношение аминокислот к нагреванию
Сосуществование двух функциональных групп, способных к взаимодействию друг с другом, приводит к возможности получения продуктов такого взаимодействия при нагревании аминокислот, причём строение продукта определяется расстоянием между амино- и карбоксильной группами:
а-аминокислоты при нагревании димеризуются с обра-
зованием шестичленных циклических дикетопиперазинов:зованием шестичленных циклических дикетопиперазинов:Н^® ®OOCj CHR + CHR СООе ®NH3Н^® ®OOCj CHR + CHR СООе ®NH3Г'Ч* HCR /CHRVhnО ДикетопиперазинГ'Ч* HCR /CHRVhnО Дикетопиперазинб) р-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак, превращаясь в а,р-непредельные кислоты, точнее, в их аммонийные соли:б) р-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак, превращаясь в а,р-непредельные кислоты, точнее, в их аммонийные соли:
зованием шестичленных циклических дикетопиперазинов:
зованием шестичленных циклических дикетопиперазинов:
Н^® ®OOCj CHR + CHR СООе ®NH3
Н^® ®OOCj CHR + CHR СООе ®NH3
Г'Ч
* HCR /CHR
Vhn
О Дикетопиперазин
Г'Ч
* HCR /CHR
Vhn
О Дикетопиперазин
б) р-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак, превращаясь в а,р-непредельные кислоты, точнее, в их аммонийные соли:
б) р-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак, превращаясь в а,р-непредельные кислоты, точнее, в их аммонийные соли:
у-аминокислоты претерпевают внутримолекулярную циклизацию, отщепляя молекулу воды с образованием внутреннего циклического амида (у-лактама)-.
®^ RXH-NH
—»^п-^^1
R-CH ^—-— Р=°СН ~ С=О •
у-Л актам
у-Лактамы являются кетопроизводными тетрагидропиррола (пирролидина), поэтому их называют пирролидонами. Как и всякий амид, лактамы склонны к таутомерии амид э иминол (и обратно). Этот частный случай прототропной таутомерии называют лактим-лактамной таутомерией (см. также с. 15).
Как правило, равновесие процесса миграции протона сдвинуто в сторону лактамной формы, если только в молекуле не имеется факторов, стабилизирующих лактимную форму;
8-аминокислоты при нагревании также превращаются в продукты внутримолекулярной циклизации (6-лактамы, производные пиперидона-2):
l2сн2l2сн2уСН2— сн2^
l2
сн2
l2
сн2
^9м\н2—► R—сн
®NH3 %—j^oХТ
8-Лактам q
аминокислоты с более удалёнными друг от друга амино- и карбоксильной группами при внутримолекулярной циклизации давали бы лактамы с семи-, восьмичленными (и более) циклами, образование которых значительно менее выгодно, чем пяти и шестичленных у- и 8-лактамов. Поэтому «-аминокислоты претерпевают межмолекулярное взаимодействие с образованием полимерных структур с амидной связью (полиамидов), среди которых наиболее известны капрон, найлон и т.п.
n H3N+-(CH2)5-COO -► 4-NH-(CH2)5-C(=OHn- .
Реакции с участием только аминогруппы
Одновременное существование в одной молекуле амино- и карбоксильной групп отражается и на поведении аминокислот в тех реакциях, в которых участвует только одна из двух функциональных групп. Аминогруппа, которая в аминах проявляет себя как нуклеофил, в биполярном ионе полностью лишена нуклеофильности из-за протонирования водородным атомом карбоксила; поэтому ни реакция алкилирования по Гофману, ни ацилирование, свойственные аминам, не имеют места в случае биполярных ионов аминокислот. Эти реакции могут происходить только при условии предварительного депротонирования аминогруппы, что достигается использованием реакционной среды с высокими значениями pH, при которых цвиттер-ион полностью превращён в карбоксилат-ани- он; для этого аминокислоты обрабатывают эквивалентом органического (реакция А; В - амин) или неорганического (реакция Б; В - атом металла) основания:
A. H3N+-CHR-COO + В: -> H2N-CHR-COO ВН+;
Б. H3N+-CHR-COO~ + В-ОН -> H2N-CHR-COO В+ + Н2О;
алкилирование осуществляют, действуя на полученные соли аминокислот алкилгалогенидами в присутствии оснований (как органических, так и неорганических):
H2N-CHR-COO в+ + R'Cl -> R'-NH-CHR-COOH + В+СГ -►
-э R-N+H2-CHR-COO-.
Н,К,К-ТриметилглицинН,К,К-Триметилглицин(СНз)3К+-СН2-СОО-(СНз)3К+-СН2-СОО-Образующиеся при моноалкилировании N-алкиламинокисло- ты также существуют в виде биполярных ионов, однако при добавлении в реакционную смесь основания возможно, как и в случае аминов, исчерпывающее алкилирование до N,N,N- триалкиламинокислот, цвиттер-ионы которых называются бетаинами. Простейший бетаин - производное глицина - был впервые обнаружен в соке столовой свёклы Beta vulgaris, название которой и послужило основой для наименования всей группы аналогично построенных соединений.
Н,К,К-Триметилглицин
Н,К,К-Триметилглицин
(СНз)3К+-СН2-СОО-
(СНз)3К+-СН2-СОО-
Бетаин глицина образуется в организме при окислении аминоспирта холина и служит донором метильных групп при биосинтезе метионина, пуриновых и пиримидиновых оснований, адреналина и других биологически значимых веществ;
ацилирование также требует предварительного превращения цвиттер-иона в карбоксилат-анион и успешно протекает при условии присутствия в реакционной среде эквивалента основания (оно необходимо для связывания выделяющегося при ацилировании кислого продукта - галогеноводорода или карбоновой кислоты; ацилирование в таких условиях получило название "ацилирование в условиях Шоттена-Бауманна”:
H2N-CHR-COO + R'C(-O)C1 + В: ->
^ R'-C( O)-NH CHR COO ВН+ + ВН+СГ
или
H2N-CHR-COO" + |R'-C(=O)]2O + В: ->R*-C(=O)-NH-CHR-COO ВН+ + BH+R-COO ;
R'-C(=O)-NH-CHR-COO~BH+ + HC1
R*-C(=O)-NH-CHR-COOH + ВН+СГ.
В отличие от алкилирования ацилирование всегда приводит только к N-моноациламинокислотам, так как характерная для амидов прототропная таутомерия резко снижает нуклеофильность атома азота, и дальнейшее ацилирование становится неосуществимым. Поэтому введение ацильной группы к атому азота рассматривается как способ лишения аминогруппы реакционной способности ^'защита аминогруппы"). По этой же причине N-ацил аминокис лоты не имеют, в отличие от N-ал- киламинокислот, цвиттер-ионов.
RLRLN-Ацил-а-аминокислоты в присутствии оснований способны к внутримолекулярной циклизации с образованием азлактонов - пятичленных циклов, возникающих в результате внутримолекулярной нуклеофильной атаки алкокси-аниона иминольной формы N-ациламинокислоты на электронодефицитный атом углерода карбоксильной группы:
RL
RL
R^N-CHR-gR^N-CHR-gRHp=N-CH]AO;/R +h®C=O R—RHp=N-CH]AO;/R +h®C=O R—2-OH^R"
R^N-CHR-g
R^N-CHR-g
RHp=N-CH]
AO
;/R +h®
C=O R—
RHp=N-CH]
AO
;/R +h®
C=O R—
e
V V АзлактоН'
Процесс образования азлактонов интенсифицируется, если уходящей группой является группа с делокализованным отрицательным зарядом, те. хорошая уходящая группа. Азлактоны относятся к классу оксазолов (пятичленных гетероциклических соединений с атомами О и N в положениях 1 и 3 соответственно; аналоги имидазола и тиазола); эти соединения характеризуются повышенной СН-кислотностью по атому С, находящемуся между более электроотрицательными атомами О и N. Отщепление протона от этого атома углерода приводит к 46
возникновению карбаниона, который стабилизирован образованием делокализованной циклической системы из шести к- электронов (два электрона двойной связи + два электрона карбаниона + два электрона неподелённой электронной пары атома О); эта система является квазиароматической, поэтому процесс образования азлактона (называемого также окса- золоном) достаточно выгоден энергетически. Для химии аминокислот существенно то, что образование азлактона сопровождается возникновением плоскостного цикла, и последующее превращение планарного карбаниона в азлактон может произойти в результате равновероятного подхода протона с любой из двух сторон плоскости. Вследствие этого в тех случаях, когда «-аминокислота обладает хиральным центром (в большинстве «-аминокислот это «-углеродный атом), в процессе установления равновесия азлактон -> карбанион (и обратно) происходит превращение оптически деятельного стереоизомера в эквимолярную смесь двух энантиомеров (в рацемат), т.е. наблюдается рацемизация оптически активной аминокислоты;
образование оснований Шиффа как типичная реакция аминов свойственно и аминокислотам; наиболее часто используются реакции аминокислот с бензальдегидом:
H2N-CHR-COO Na+ + С6Н5СН=О ^
на
В этихВ этих-> C6H5CH=N-CHRCOONa -► C6H5-CH=NCHR-COOa реакциях получаются соединения, в которых атом N теряет свои нуклеофильные свойства, что позволяет временно устранить реакционную способность аминогрупп аминокис-
В этих
В этих
лот.лот.V-CH=N—V-CH=N—и т.д.и т.д.
лот.
лот.
V-CH=N—
V-CH=N—
и т.д.
и т.д.
На образовании оснований Шиффа основана качественная реакция на наличие первичных аминокислотных аминогрупп, известная как "нингидриновая реакция"-, эта реакция используется для визуализации пятен аминокислот при их хро-
матографическом и электрофоретическом анализах, а также для количественного определения содержания аминокислот в растворах:
ОНQ I
Интенсивное сине-фиолетовое окрашиваниеИнтенсивное сине-фиолетовое окрашивание+ RCHO + СОг+ RCHO + СОгОН + H2N—CHR—COO + НОХио уНингидринО
Интенсивное сине-фиолетовое окрашивание
Интенсивное сине-фиолетовое окрашивание
+ RCHO + СОг
+ RCHO + СОг
дезаминирование аминокислот, как и всякого первичного амина, протекает при действии на аминокислоты азотистой кислоты:
H3N+-CHR-COO + HNO2 ^ N2 + RCH(OH)COOH + Н2О. Эта реакция положена в основу волюмометрического определения содержания азота и количества аминогрупп в аминокислотах (метод Ван-Слайка). Каждый моль л/о«оаминокислоты выделяет один моль азота, который, как известно, занимает объём 22,4 л. Замерив объём выделившегося в реакции азота и сопоставив этот объём с навеской аминокислоты, высчитывают процентное содержание азота в веществе и через него - число аминогрупп.
Дезаминирование аминокислот является одной из биохимических реакций, протекающих в организме и превращающих аминокислоты в непредельные карбоновые кислоты (внутримолекулярное дезаминирование, реакция А), в насыщенные карбоновые кислоты (восстановительное дезаминирование, реакция Б), в а-оксикислоты (гидролитическое дезаминирование, реакция В), в а-кетокислоты (дегидратазное дезаминирование, реакция Г):
H3N+-CH(CH2R)-COO -> RCH-CHCOOH + NH3 ; (таким образом у некоторых микроорганизмов и высших растений аспарагиновая кислота превращается в фумаровую)
Б. H3N+-CHR-COO + 2 Н+ -> R-CH2-COOH + R*NH3+ ;
(у некоторых микроорганизмов)
H3N+-CHR-COO + Н2О -> R-CH(OH)-COOH; (тип дезаминирования, характерный для микроорганизмов)
Г. CH?OH-CH(H3N+)-COO -> CH2=C(NH3+)-COO- -►
Н2О
-> CH3-C(=NH2+)-COO -> СНз-С(=О)-СОО- + nh4+ (этот тип дезаминирования характерен для таких аминокислот, как серин, треонин, цистеин, гомоцистеин)
5. Реакции с участием только карбоксильной группы
Из-за того, что аминокислоты в свободном состоянии существуют в форме биполярных ионов, их карбоксильные группы, превращённые в карбоксилат-ионы, полностью лишены ацилирующей способности. Дефицит электронной плотности на атоме углерода карбоксильной группы экранирован делокализованным по трём атомам (О-С-О) облаком отрицательного
заряда:заряда:< 'о — о^с^>э.< 'о — о^с^>э.
заряда:
заряда:
< 'о — о^с^>э.
< 'о — о^с^>э.
Предварительное устранение отрицательного заряда кар- боксилат-аниона добавлением эквивалента кислоты является непременным условием протекания реакций по карбоксильной группе аминокислот:
H3N+-CHR-COO + НС1-> СГ H3N+-CHR-COOH.
Полученные таким образом аммонийные соли аминокислот участвуют во всех реакциях, характерных для карбоновых кислот:
этерификация проводится, как правило, в условиях, когда стадия перевода цвиттер-иона в аммонийный катион и последующее нуклеофильное замещение гидроксильной группы на алкоксильную осуществляются без выделения промежуточной аммонийной соли, например, при пропускании газообразного НС1 в нагреваемую до кипения взвесь аминокислоты в соответствующем спирте; реакция начинается образованием
гидрохлорида замещённого аммония, который затем этерифи- цируется:
СГ H3N+-CHR-COOH + R'OH-> СГ H3N+-CHR-COOR';
образование галогенангидридов аминокислот в реакции с использованием РС13 или SOCb можно осуществить без предварительного перевода биполярного иона в аммонийную соль, так как реактив всегда содержит следовые количества НО, инициирующие реакцию, а в последующем образующийся вместе с галогенангидридом хлороводород обеспечивает превращение карбоксилат-аниона в карбоксильную группу; продукт всегда получается в виде аммонийной соли: H3N+-CHR-COO + РС15 -> СГ H3N+-CHR-COC1 + РОС13;
восстановление карбоксильной группы до первичной спиртовой, как и в случае карбоновых кислот, эффективнее протекает при использовании сложных алкиловых эфиров аминокислот;
СГ H3N+-CHR-COOR' + LiAlH4 -> H2N-CHR-CH2OH;
декарбоксилирование аминокислот термолизом солей щелочноземельных металлов приводит к первичным аминам:
H3N+-CHR-COO + Ва(ОН)2 -► (H2N-CHR-COO)2Ba ->
-> H2N-CH2R + Ва(ОН)2 .
В живых системах декарбоксилирование аминокислот происходит под действием ферментов (микробных декарбоксилаз), причём этот процесс у высших организмов особенно интенсивно протекает после смерти, превращая лизин (а,е-диамино- капроновую кислоту) и орнитин (<х,б-диаминовалериановую кислоту) в диамины кадаверин и путресцин соответственно, известные как трупные яды.
Как и прочие полифункциональные соединения, рассмотренные ранее, аминокислоты способны к хелатированию;
образование комплексных солей металлов характерно только для а-аминокислот; образование ярко-синих растворов в реакции с основной углемедной солью Cu(OH)2eCuCO3
оо/HR —- H3N®/HR —- H3N®Водорастворимый медный комплекс синего цветаВодорастворимый медный комплекс синего цветаслужит качественной реакцией на присутствие в молекуле ат аминокарбоксильной функции
о
о
/HR —- H3N®
/HR —- H3N®
Водорастворимый медный комплекс синего цвета
Водорастворимый медный комплекс синего цвета
?NH3 ?Н
2HR + Си
COO® qH
носх^н^ ун2/роонносх^н^ ун2/роонн,сн,с—сн2—сн2н2с Сн2NaOOC COONaн2с Сн2NaOOC COONaООКомплексные соли аминокислот устойчивы в щелочной среде. В медном комплексе карбоксильная группа превращена в карбокси л ат-анион, а аминогруппа сильно дезактивирована координацией с атомом меди, что делает возможным устранение реакционной способности обеих ос-функций а-аминокислот. Медные комплексы аминокислот способны обмениваться ионом металла с более сильным комплексообразователем (трилоном Б, 8-оксихинолином), благодаря чему дезактивация функциональных групп становится обратимой:
носх^н^ ун2/роон
носх^н^ ун2/роон
н,с
н,с
—сн2
—сн2
н2с Сн2
NaOOC COONa
н2с Сн2
NaOOC COONa
О
О
Трилон Б
nh2nh2©н3уCHR1 © соо©н3уCHR1 © сооН2Н2(динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты)
nh2
nh2
©
н3у
CHR
1 © соо
©
н3у
CHR
1 © соо
Н2
Н2
Показан участок молекулы, обозначенный в формуле трилона Б прямоугольным контуром
Все природные ос-аминокислоты делятся на незаменимые. которые поступают в организм только из внешней среды (валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин), и заменимые. синтез которых происходит в организме. Исходными веществами для биосинтеза
а-аминокислот являются либо другие вещества, т.е. не аминокислоты (реакция А), либо другие аминокислоты (реакция Б).
А. Восстановление а-кетокислот действием НАД«Н (см. также раздел 2.2.5 в [8]):
НООС-СН2-СН2-С(=О)-СООН + NH3 + НАД»Н ^
-> HOOC-CH2-CH2-CH(N+H3)-COO- + Н2О + НАД+.
Реакция стереоспецифична вследствие стереоспецифичности НАД»Н.
Б. Трансаминирование (переаминирование) является основным путём синтеза аминокислот в организме:
СООНСООН®NH3®NH3COO®.COO®.®NH3 CHR COO®
СООН
СООН
®NH3
®NH3
COO®.
COO®.
Катализаторами и участниками этого процесса являются ферменты (аминотрансферазы) и кофермент пиридоксальфосфат, который служит переносчиком аминогруппы:
П иридоксами нофосфатП иридоксами нофосфат
П иридоксами нофосфат
П иридоксами нофосфат
2.1.2. Пептиды
Ранее было подчёркнуто, что амино- и карбоксильные группы аминокислот могут реагировать друг с другом, даже если они находятся в одной молекуле. Ещё более реальным
является образование межмолекулярной амидной связи. Протяжённые амиды, образовавшиеся в результате взаимодействия некоторого числа аминокислот, называются пептидами. В зависимости от числа аминокислотных остатков различают ди-, три-, тетра-, пента- и тому подобные пептиды; при этом пептиды с молекулярной массой не более 10 000 называют олигопептидами, а с молекулярной массой, большей 10 000 - полипептидами. или белками. Амидные связи, находящиеся в составе пептидов, называют пептидными связями. Та часть молекулы пептида, в которой аминогруппа сохранилась не включённой в пептидную связь, считается N-концевой, а несущая эту аминогруппу аминокислота называется N-концевым аминокислотным остатком, или N-концом пептида. Часть пептида, в которой осталась свободной карбоксильная группа, называется С-концевой; аминокислота, включающая такую карбоксильную группу, представляет собой С-концевой аминокислотный остаток, или С-конец. Как правило, при изображении формулы пептида N-конец располагают слева, а С-конец - справа.
Название пептида формируется путём последовательного перечисления, начиная с N-конца, названий аминокислот, включённых в пептид; при этом суффикс "-ин” заменяется на суффикс "-ил" для всех аминокислот, кроме С-концевой. Для описания структур пептидов применяют не традиционные структурные формулы, а сокращённые обозначения, позволяющие сделать запись более компактной. Для этого остатку каждой природной аминокислоты присвоено трёхбуквенное обозначение (см. с. 37), воспроизводящее три первые буквы тривиального названия аминокислоты. При описании структуры пептида последовательно перечисляют трёхбуквенные обозначения остатков аминокислот, начиная с N-конца. Приве-
денная далее структурная формула тирозил-аргинил-метионина может быть заменена более короткой записью: TyrArgMet.
Туг । Arg , Met
-сн—COO®
СН2—сн2—S —сн3
'2
=nh2
ОН Трипептид тирозил-аргинил-метионин
При необходимости описать строение более длинных молекул можно также воспользоваться однобуквенным кодом, в котором каждой аминокислоте присвоена одна заглавная буква латинского алфавита: аланин - А, аспарагин - N, аспарагиновая кислота - D, аргинин - R, валин - V, гистидин - Н, глицин - G, глутамин - Q, глутаминовая кислота - Е, изолейцин - I, лейцин - L, лизин - К, метионин - М, пролин - Р, серин - S, тирозин - Y, треонин - Т, триптофан - W, фенилаланин - F, цистеин - С. С использованием этого кода вместо громоздкой структурной формулы, написанной в начале страницы, можно записать YRM.
Следует сразу же подчеркнуть, что как и в аминокислотах, в пептидах сосуществуют амино- и карбоксильные группы, поэтому пептиды также являются биполярными ионами со своей характеристичной величиной pl. Элементом, во многом определяющим строение пептидов, является пептидная связь, поскольку в общем виде пептид можно изобразить как регулярную структуру, основную нить которой составляют повторяющиеся участки с одинаковыми параметрами:
О
/-^н-^н-с),,-.
Rm
Эта основная нить окружена боковыми цепями (Rm), которые представляют собой второй элемент, определяющий строение пептида. В пептидной цепи атом углерода карбонильной группы, атом азота и связанные с ними атомы лежат в одной
плоскости, а связь углерод-азот носит в значительной степени двоесвязный характер вследствие таутомерии амид-иминол:
—С_—. ^ —— Длина связи С - N
jг*'А0,132 нм вместо ха-
О*^ОН-^рактерной для ами-
нов величины 0,147 нм Свободное вращение вокруг пептидной связи, как и вокруг двойной связи >С=С<, отсутствует. Кислород группы >С=О и водород группы >N-H чаще всего находятся в транс-положе- нии. Группа, связанная с а-углеродным атомом, обладает свободным вращением.
Понятие ’’структура пептида” (равно как и "структура белка”) включает в себя следующие харатеристики:
общее число аминокислотных остатков;
перечень аминокислот, входящих в состав пептида, и указание количества аминокислотных остатков каждого вида (этот параметр называется аминокислотным составом пептида или белка);
последовательность связывания аминокислот друг с другом (этот параметр назвается аминокислотной последовательностью и отражает так называемую первичную структуру пептида или белка); последовательность записывается слева направо от N-конца к С-концу (далее приведена первичная структура адренокортикотропного гормона овцы):
110203039
SYSMEHFRWGKPVKKRRPVKVYPAGEDDEASEAFPLEF
Определение аминокислотного состава пептида проводится после полного гидролиза вещества, в ходе которого все пептидные связи разрушаются, и пептид превращается в смесь аминокислот, составлявших его. Гидролиз проводят действием 6 н. НС1 при П0°С в течение 20 ч.; для предупреждения окислительного разрушения некоторых аминокислот в процессе гидролиза его осуществляют в атомосфере азота или в вакуумированной запаянной ампуле. Полученный гидролизат подвергают количественному анализу с помощью ионообменной хроматографии и таким образом устанавливают, какие аминокислоты и в каких соотношениях входят в исследуемый пеп
Определение аминокислотной последовательности пред- , ставляет собой более сложную задачу, решение которой требует выполнения нескольких этапов; как правило, их реализация осуществляется параллельно.
Определение N-концевой аминокислоты
Метод Сэнджера (Сенгера).
Нуклеофильное замещение атома фтора в молекуле 2,4-ди- нитрофгорбензола (реактива Сэнджера) аминогруппой пептида, происходящее в присутствии щелочи, вводит в N-конце- вую аминокислоту 2,4-динитрофенильный остаток (2,4-ДНФ- метку\
/NO2
QzN—F + H2N—CHR—^2—NH—"" + NaOH ►
О
_/NO2
НС1 + н2о
*" O2N—( У-NH—CHR—С—NH—'""►\==/]]ио °
/МО2смесь аминокислот, * O,N-/}—NH-CHR—СООН + , лН™ТЮЩЮ
\—/2,4-ДНФ-метки .
Эта метка является хромофорной группой благодаря наличию в ней протяжённой системы сопряжённых связей,, поэтому аминокислота, несущая метку, становится окрашенной в отличие от остальных аминокислот. При последующем гидролизе меченого пептида аминная связь 2,4-динитрофенильной группы с пептидом не затрагивается, и в образовавшейся смеси аминокислот только N-концевая кислота оказывается меченой. Анализ гидролизата с помощью тонкослойной хроматографии позволяет однозначно идентифицировать N-концевую аминокислоту путём сравнения хроматографической подвижности окрашенного пятна из гидролизата с подвижностями заведомых 2,4-ДНФ-производных аминокислот.
Дансильный метод принципиально схож с методом Сэнджера, однако использование в качестве метки М,М-диме- тиламинонафталинсульфонильного (дансил) остатка делает 56
этот метод на несколько порядков более чувствительным, чем метод Сэнджера, так как дансильная группа обеспечивает более интенсивное поглощение света, чем 2,4-динитрофениль-
ная:
SO2CISO2CIH2N—CHR—С—NH—11,11H2N—CHR—С—NH—11,11+ NaOH+ NaOH
SO2CI
SO2CI
H2N—CHR—С—NH—11,11
H2N—CHR—С—NH—11,11
+ NaOH
+ NaOH
ДНС-Аминокислота, флуоресцирующее производноеДНС-Аминокислота, флуоресцирующее производное
ДНС-Аминокислота, флуоресцирующее производное
ДНС-Аминокислота, флуоресцирующее производное
+ смесь аминокислот, неимеющих ДНС-метки
Деградация по Эдману
На первой стадии реакции, проходящей в щелочной среде, аминогруппа пептида вступает в реакцию нуклеофильного присоединения к иминной связи молекулы фенилизотиоцианата (см. также с. 16) с образованием производного тиомочевины. Затем происходит катализируемое кислотами внутримолекулярное нуклеофильное замещение при 8р2-гибридизован- ном атоме углерода пептидной связи, осуществляемое путём атаки атома азота, связанного с фенильным остатком, на электронодефицитный атом углерода пептидной связи. Эта атака стимулируется электронодонорным влиянием фенильного заместителя и приводит к образованию фенилтиогидантоинов (ФТГ), циклических соединений со скелетом тетрагидроимидазола (имидазолидина), которые являются монотиоаналогами имидазолидиндионов-2,4.
АЛ 6^АС6Н5—N=C—S + H2N-CHR—^j-ФенилизотиоцианатО—NH—CHR-АЛ 6^АС6Н5—N=C—S + H2N-CHR—^j-ФенилизотиоцианатО—NH—CHR-,н" + NaOH,н" + NaOHС6Н5—NHС6Н5—NH8®А„ н2о+ наС—NH— „ —►ПМягкие условия8®А„ н2о+ наС—NH— „ —►ПМягкие условияСбН5-^' '^JHСбН5-^' '^JHФенилтиогидантоинВторым продуктом реакцииФенилтиогидантоинВторым продуктом реакции4-H2N—|ПМ
АЛ 6^А
С6Н5—N=C—S + H2N-CHR—^j-
ФенилизотиоцианатО
—NH—CHR-
АЛ 6^А
С6Н5—N=C—S + H2N-CHR—^j-
ФенилизотиоцианатО
—NH—CHR-
,н" + NaOH
,н" + NaOH
С6Н5—NH
С6Н5—NH
8®А„ н2о+ на
С—NH— „ —►
ПМягкие условия
8®А„ н2о+ на
С—NH— „ —►
ПМягкие условия
СбН5-^' '^JH
СбН5-^' '^JH
Фенилтиогидантоин
Вторым продуктом реакции
Фенилтиогидантоин
Вторым продуктом реакции
Пептид, укороченныйс N-конца на однуаминокислоту
является гидрохлорид пепти-
да, укороченного на N-концевую аминокислоту, так как мягкие условия образования ФТГ нс вызывают разрушения пептидных связей. ФТГ, образующиеся из природных аминокислот, представляют собой хорошо кристаллизующиеся вещества с характеристичными температурой плавления, хроматографической и электрофоретической подвижностями. Вследствие меньшего по сравнению с остатком пептида молекулярного веса ФТГ продукты деградации по Эдману могут быть легко разделены, например, гель-хроматографией. Сравнение перечисленных выше характеристик выделенного ФТГ с данными для набора природных аминокислот позволяет однозначно определить строение N-концевой аминокислоты. Укороченный пептид, отделённый от ФТГ, может быть снова подвергнут деградации; её результатом будет установление строения второй по порядку следования аминокислоты. Таким образом можно последовательно установить строение каждого аминокислотного остатка от N- до С-концевого. Установление аминокислотной последовательности пептидов и белков деградацией по Эдману называют также секвенированием (от английского sequence - последовательность). В настоящее время процесс секвенирования автоматизирован и осуществляется с помощью специальных приборов (секвенаторов). На практике секвенирование успешно проходит только с относительно ко-
роткими молекулами (до 50 остатков аминокислот); для более длинных молекул требуется слишком большое количество исходного материала.
Ферментативный гидролиз
Пептиды и белки в живых системах расщепляются ферментами класса гидролаз, называемыми пептидазами. При этом некоторые ферменты являются специфичными, т.е. катализируют разрушение пептидной связи между аминокислотами только того или иного типа. Так, например, существуют:
аминопептидазы, отщепляющие только N-концевую аминокислоту; при этом специфичность фермента может быть достаточно высокой: известен фермент (лейцинаминопептидаза), отщепляющий только определённую N-концевую аминокислоту (лейцин);
карбоксипептидазы, отщепляющие только С-концевую аминокислоту;
ферменты, разрушающие пептидные связи, образованные карбоксильной группой только определённых(ой) кислот(ы), например, трипсин для лизина и аргинина (аминокислот с основной боковой цепью); химотрипсин для фенилаланина, тирозина и триптофана (аминокислот с незаряженным ароматическим остатком в боковой цепи); пепсин для связей между двумя гидрофобными аминокислотами; пост-пролин-расьцепля- ющий фермент для пролина;
ферменты, отщепляющие с N-конца сразу две аминокислоты в виде дипептида (дипептидштептидазы)^ этот список может быть продолжен.
Если провести серию гидролитических расщеплений исследуемого пептида или белка с применением различных ферментов, получается несколько наборов коротких пептидов (так называемых триптических пептидов), последовательность каждого из которых легко устанавливается секвенированием по Эдману. Далее сопоставление последовательностей триптических пептидов и выявление перекрывающихся фрагментов позволяют реконструировать первичную структуру пептида или белка.
Метод с использованием первичной структуры ДНК
Этот метод основан на том, что биосинтез каждого белка происходит в соответствии с информацией, закодированной в гене, "отвечающем" за данный белок. Так как каждой аминокислоте соответствует определённый (ые) триплет(ы), то расшифровка последовательности нуклеотидов в гене, кодирующем синтез данного белка, предоставляет возможность построения первичной последовательности белка, закодированной в этом гене.
Установление первичной структуры пептида или белка дает возможность получить соединение синтетическим путём. Совокупность синтетических операций, приводящих к получению пептидов из аминокислот, называется пептидным синтезом и как и всякий другой раздел органического синтеза отличается особенностями, присущими синтезу только этого типа соединений. Грубая схема объединения двух аминокислот в дипептид (аминокислота 1 + аминокислота 2 -> дипептид) не отражает тех проблем, которые необходимо решить при создании пептидной молекулы. Очевидно, что два биполярных иона при своём взаимодействии могут образовать только соли:
H3N+CHR’СОСГ + ЯзА^СНК’СОО ->
-> Нз^СНК’СОСГЯ^СНК’СОО (соль 1) +
+ //^CHR’COOHjN^^(соль 2),
но не -> H3N+CHRQ=O)M/CHR"COO
Кроме того, задача создания дипептида с определённой последовательностью аминокислот предполагает образование пептидных связей с участием карбоксильной группы только N- концевой аминокислоты и аминогруппы только С-концевой аминокислоты, но не наоборот. Одинаковая реакционная способность функциональных групп обеих аминокислот не позволяет провести однозначное сочетание аминокислот без их предварительной подготовки, цель которой состоит в лишении реакционной способности (дезактивации) тех функциональных групп, которые не должны участвовать в образовании пеп- 60
тидной связи. Эта операция называется защитой функциональных групп, а группировки, вводимые в молекулы аминокислот для обеспечения нужной направленности синтеза, называются защитными группами. Различают постоянные и временные защитные группы. Первые сохраняются в составе аминокислотных остатков на протяжении всего синтеза, вторые используются только на одной стадии. По окончании синтеза защитные группы удаляются; эта стадия пептидного синтеза называется деблокированием.
В основу выбора защитных групп положено представление о процессе образования пептидной связи как о результате нуклеофильной атаки аминогруппы С-концсвой аминокислоты на электронодефицитный атом углерода карбоксильной группы N-концевой аминокислоты:
:nh2—,,,и:nh2—,,,и+ Н2О.+ Н2О.
:nh2—,,,и
:nh2—,,,и
+ Н2О.
+ Н2О.
Поэтому защита (дезактивация) аминогруппы достигается понижением её нуклеофильности, а защита (дезактивация) карбоксильной группы обеспечивается понижением величины дробного положительного заряда её углеродного атома. Кроме того, защита и той, и другой группы может быть усилена созданием пространственных препятствий подходу молекул
друг к другу.
Известно, что нуклеофильность аминогруппы понижается при введении в неё электроноакцепторного заместителя, поэтому наиболее употребительными аминозащитными группами оказались ацильные группы, причём в качестве ацильного остатка практика отобрала остатки алкилоксиугольных кислот.
О ©
Сбн5— СН~о—С1 + Нэ^-СНК’—о Na ^
Оо
+ NaCl.+ NaCl.Бензилхлорформиат (ZC1)
+ NaCl.
+ NaCl.
-^^н^-сн^^fi°Н
Z-Грутша ОО
(бензилоксикарбонил-, или карбобензокси-)
Для понижения реакционной способности карбоксильной группы полезно ввести вместо группы ОН заместитель с более выраженным электронодонорным влиянием. В качестве кар- боксизащитной группы используют сложноэфирную и карбоксилатную функции, поскольку хорошо известно, что ацилирующая способность сложных эфиров и солей карбоновых кислот минимальна. Хотя амиды карбоновых кислот также известны как слабые ацилирующие агенты, уступающие самим кислотам, амидная функция непригодна в качестве защитной группы, так как условия удаления амидной группы приведут к разрушению пептидной связи (амидной по своей природе) в ходе деблокирования. В качестве защитной группы для С-кон- цевой аминокислоты широко используют метиловые, этиловые и бензиловые эфиры аминокислот, получая их этерификацией аминокислот в кислой среде; в образовавшейся аммонийной соли освобождение аминогруппы проводят обработкой солей аммиаком, основность которого выше основности аминогруппы аминокислот:
NHNHH3N~CHR" —СОО° + НС1 + СбН5—СН2—ОН *
NH
NH
H3N—CHR" Cl©H3N—CHR" Cl©-С-О-^Нз-С^II '—VV
H3N—CHR" Cl©
H3N—CHR" Cl©
О OBzl
► NH2—CHR"—СООСНзСбНз.
Подготовленные к реагированию между собой аминокислоты сами по себе при введении их в реакцию способны образовать только соли:
CHR"—OBzlCHR"—OBzlZNH-CHR— OH + NH2~'
CHR"—OBzl
CHR"—OBzl
г—OBzl.г—OBzl.О ► ZNH—CHR—
г—OBzl.
г—OBzl.
Карбоновые кислоты, в том числе и аминокислоты, являются плохими ацилирующими агентами вследствие невысокого 5+ на атоме углерода карбоксильной группы. Поэтому конденсацию аминокислот в пептид проводят в присутствии активатора
группы СООН {конденсирующего агента). Практика пептидного синтеза отобрала из множества реагентов, способных повысить дефицит электронной плотности на атоме углерода карбоксила, достаточно большую группу соединений; наиболее широко применяется N,N'-дициклoгeкcилкapбoдиимид (КДИ), производное угольной кислоты. Имидная связь в молекуле КДИ, как и всякая двойная связь, склонна к присоединению протона; эта способность усиливается поляризацией л-связи в сторону более электроотрицательного атома азота. Присоединение протона превращает молекулу КДИ в карбкатион, взаимодействие которого с карбоксилат-анионом защищённой аминокислоты приводит к образованию О-амино-ацилизомо- чевины. Связанный с аминоацильной группой остаток изомочевины, будучи элекгроноакцептором, увеличивает дефицит электронной плотности на атоме углерода карбоксильной группы аминокислоты, поэтому последующая атака аминогруппы второй аминокислоты облегчается.
Й1Й1© ©© ©ZNH-CHR—^j—OjH^^+y N=C=N —ОC6HU C6Hn>® + ^C=N-C6HnZNH-CHR—^j—OjH^^+y N=C=N —ОC6HU C6Hn>® + ^C=N-C6Hn• ZNH-CHR—ft О• ZNH-CHR—ft Оя®.82iя®.82iNHC6HU .©:=n—сбнпNHC6HU .©:=n—сбнпNHQHnNHQHnО-Аминоацил- изомочевинаО-Аминоацил- изомочевина
Й1
Й1
© ©
© ©
ZNH-CHR—^j—OjH^^+y N=C=N —
ОC6HU C6Hn
>® + ^C=N-C6Hn
ZNH-CHR—^j—OjH^^+y N=C=N —
ОC6HU C6Hn
>® + ^C=N-C6Hn
• ZNH-CHR—ft О
• ZNH-CHR—ft О
я®.
82i
я®.
82i
NHC6HU .©
:=n—сбнп
NHC6HU .©
:=n—сбнп
NHQHn
NHQHn
О-Аминоацил- изомочевина
О-Аминоацил- изомочевина
NH2— CHR4—С—OBzl
Z NH—CHR—C—NH— CHR"—oоZ NH—CHR—C—NH— CHR"—oоNHC6Hn ДициклогексилмочевинаNHC6Hn Дициклогексилмочевина
Z NH—CHR—C—NH— CHR"—
oо
Z NH—CHR—C—NH— CHR"—
oо
NHC6Hn Дициклогексилмочевина
NHC6Hn Дициклогексилмочевина
Нуклеофильное замещение остатка изомочевины аминогруппой приводит к образованию защищённого на N- и С-концах
дипептида; одновременно образуется N,N'-дициклoгeкcилиэo- мочевина, которая сразу преобразуется в свой более устойчивый таутомер - ^М’-дициклогексилмочевину.
Последней операцией в цепи реакций, приводящих к получению пептида, является его деблокирование, т.е. удаление всех защитных групп; при этом важно, чтобы условия удаления не вызывали разрушения возникшей пептидной связи. Деблокированный дипептид в зависимости от условий деблокирования может быть получен либо в виде биполярного иона, либо в виде аммонийной соли:
Z NH—CHR—С—NH— CHRZ NH—CHR—С—NH— CHRилиилиОНВг/СН3СООНОНВг/СН3СООН
Z NH—CHR—С—NH— CHR
Z NH—CHR—С—NH— CHR
или
или
О
НВг/СН3СООН
О
НВг/СН3СООН
©H3N—CHR—^—NH—CHR' О©H3N—CHR—^—NH—CHR' Оилиили
©
H3N—CHR—^—NH—CHR' О
©
H3N—CHR—^—NH—CHR' О
или
или
©
H3N—CHR— С—NH— CHR"—С— СООН.
©И
ВгОО
При синтезе пептидов, содержащих более двух аминокислотных остатков, у полученного защищённого дипептида необходимо освободить только N-концсвую аминогруппу, удалив защиту лишь с N-конца дипептида. Таким образом, подбор защитных групп должен соответствовать возможности удаления одной (временной) защитной группы при полном сохранении всех остальных (постоянных) защитных групп. Планирование пептидного синтеза, включающее в себя подбор защитных групп, выбор метода конденсации и способа деблокирования, называется тактикой пептидного синтеза. Тактические задачи могут быть решены только после того, как разработана стратегия пептидного синтеза, т.е. намечены основные подходы к построению пептидной цепи. На современном этапе развития пептидного синтеза существуют две стратегии - последовательное наращивание цепи, начиная с С-концевой аминокислоты, и фрагментная конденсация - получение коротких отрез-
ков синтезирумой пептидной цепи и их последующее соединение друг с другом.
Последовательное наращивание цепи пептида ABCD:
защита карбоксильной группы аминокислоты D;
защита аминогруппы аминокислоты С;
активация карбоксильной группы аминокислоты С;
конденсация аминокислот С и D;
деблокирование аминогруппы дипептида CD;
защита аминогруппы аминокислоты В;
активация карбоксильной группы аминокислоты В;
конденсация аминокислоты В с дипептидом CD;
деблокирование аминогруппы трипептида BCD;
защита аминогруппы аминокислоты А;
активация карбоксильной группы аминокислоты А; м) конденсация аминокислоты А с трипептидом BCD; н) полное деблокирование пептида ABCD.
Фрагментная конденсация двух дипептидов - АВ и CD (так называемая "конденсация 2 + 2") для того же соединения:
защита карбоксильной группы аминокислоты D;
защита аминогруппы аминокислоты С;
активация карбоксильной группы аминокислоты С;
конденсация аминокислот С и D;
деблокирование аминогруппы дипептида CD;
защита карбоксильной группы аминокислоты В;
защита аминогруппы аминокислоты А;
активация карбоксильной группы аминокислоты А;
конденсация аминокислот А и В;
деблокирование карбоксигруппы дипептида АВ;
активация карбоксильной группы дипептида АВ;
м) конденсация дипептида АВ с дипептидом CD; н) полное деблокирование пептида ABCD.
При использовании как той, так и другой стратегии обязательным является решение вопроса о степени защиты (дезактивации) функциональных групп в боковых цепях. Среди этих групп имеются безусловно защищаемые группы, реакционная способность которых сравнима с реакционной способностью
групп, участвующих в образовании пептидной связи: е-амино- группа лизина, £- и у-карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, тиольная группа цистеина. Остальные функциональные группы боковых цепей относятся к условно защищаемым, так как их участия в реакциях, приводящих к образованию пептидной связи, можно избежать, продуманно подбирая реагенты. В соответствии со степенью защиты функциональных групп боковых цепей различают тактику максимальной защиты, если при синтезе пептида защищают все боковые функциональные группы, и тактику минимальной защиты, когда защищают только безусловно защищаемые функции. В приведенном выше перечне операций, необходимых для получения тетрапептида ABCD, стадии защиты боковых функций отсутствуют; если эти стадии нееобходимы, число операций, используемых для перехода от отдельных аминокислот к пептиду, резко возрастает.
Белки
Белки представляют собой соединения, в полипептидных цепях которых содержится более 50 аминокислотных остатков. Они делятся на белки, состоящие только из остатков аминокислот (простые белки, или протеины) и на белки, в состав которых, помимо аминокислот, входят остатки соединений, относящихся к другим классам (сложные белки, или протеиды). Небелковая (т.е. не аминокислотная) часть молекулы протеида называется простетической группой и определяет подразделение белков на:
гликопротеины: аминокислоты + углеводы;
липопротеины: аминокислоты + липиды;
нуклеопротеины: аминокислоты + нуклеотиды;
фосфопротеины: аминокислоты + фосфорная кислота;
металлопротеины: аминокислоты + ионы металлов.
Если сложный белок является ферментом, то его просте- тическая группа нередко является коферментом, т.е. соединением, необходимым для проявления каталитической активности фермента. Протеиновая часть фермента в этом случае называется апоферментом. Отнесение белка к тому или иному классу делается на основе определения его первичной структу- 66
ры, которое производится так же, как определение первичной структуры пептидов.
Вторичная структура белков (как и пептидов) отражает расположение полипептидной цепи в пространстве. Характер пространственной структуры полипептидной цепи обусловлен дополнительным образованием пяти типов связей между отдельными аминокислотными остатками, стабилизирующих структуру белковой молекулы: 1) дисульфидные мостики, 2) водородные связи, 3) ионные связи, 4) гидрофобные связи и 5) гидратируемые группы; при этом связываемые остатки могут находиться и в достаточно удалённых друг от друга участках полипептидной цепи.
Дисульфидные мостики образуются между остатками цистеина за счёт окисления тиольных групп в дисульфидные:
•—HN—(pH-СН2~SH + HS-CH2—фН-МН^. ■■ -^ ши—Q=Q—0=0
"■■■~HN^H<H2^—sj-CH^H-NH^'1" •
Мостики возникают как между остатками цистеина, расположенными в одной цепи (как, например, в окситоцине или вазопрессине), так и между остатками, находящимися в разных цепях, если белок состоит из более чем одной полипептидной единицы (как в инсулине или иммуноглобулинах).
Cys Туг Не Gly Asn Cys Pro Leu GlyNH2 g Окситоцин
Cvs Tyr Phe Gly Asn Cys Pro Arg GlyNH2 65 Вазопрессин
Gly lie Vai Glu Gly Cys (pys Ala Ser Vai Cys Ser Leu Тугиш А-цепьgg фрагмент инсулина (быка)
В-цепь Phe Vai Asn Gin His Leu Cys Gly Ser His Leu ","
Водородные связи также являются ключевым моментом формирования вторичной структуры белка, так как образование каждой водородной связи стабилизирует молекулу при-
мерно на 5-10 к кал/моль, и наиболее стабильной структурой оказывается та, которая допускает образование максимального числа таких связей. Геометрия пептидной связи позволяет существование полипептидной цепи в нескольких видах: а) "сложенный лист” (p-форма, p-sheet), б) а-спираль, в) неупорядоченная структура (рандомизованная, random). Водородные связи могут образоваться между карбонильной группой одной пептидной связи и группой NH другой связи, причём связываемые группировки могут находиться как в одной и той же цепи, так и в разных цепях.
p-Форма характерна для межцепочечного связывания:
Геометрические параметры пептидной связи обеспечивают постоянство расстояний между альтернирующими (1 и 3, 4 и 6) аминокислотными остатками. Это расстояние, называемое периодом идентичности, составляет около 0,7 нм. В р-форме по- липептидные цепи расположены в плоскости и слегка изогнуты, напоминая формой периода идентичности очертания буквы Р; при этом несколько цепей образуют своеобразный “слой", изгибы которого похожи на складки ткани или бумаги. Изгибы полипептидных цепочек позволяют боковым функциональным группам свободно разместиться в пространстве между основными цепями; эти группы направлены перпендикулярно плоскости складчатого слоя и расположены выше и ниже слоя. Соседствующие цепи ориентированы антипарал-
дельно (или параллельно) и связаны между собой водородными связями >С=ОNH<. Структура р-складчатого (p-sheet) слоя встречается в белках типа шёлка или кератина.
а-Спираль возникает за счёт внутрицепочсчного образования водородных связей, когда связывающиеся между собой группы >NH и >С=О находятся в разных участках одной и той же полипептидной цепи. Такой тип водородных связей возможен только в том случае, если основная цепь сворачивается в спираль с шагом в 3,6 аминокислотных остатка: только при таком взаимном расположении групп >NH и >С=О, принадлежащих разным пептидным связям, виток спирали фиксируется водородной связью. Спиралевидная структура обеспечивает более энергетически выгодное расположение боковых групп друг относительно друга, что особенно существенно для аминокислотных остатков с объёмистыми заместителями при «- углеродном атоме. Период идентичности в «-спирали составляет 1,5 нм, и поскольку все природные аминокислоты имеют L-конфигурацию (или S-конфигурацию по Кану-Ингольду- Прелогу), спираль является правой. «-Спиральной структурой обладает, как правило, только часть (от 5 до 80 %) полипептидной цепи (например, цепь миоглобина спирали зована лишь на 75 %).
Неупорядоченная структура характерна только для отдельных фрагментов цепи, которые чаще всего появляются между спирализованными и складчатыми участками в ходе формирования третичной структуры белка.
Ионные связи являются результатом электростатического взаимодействия и появляются в тех случаях, когда в боковой цепи имеются заряженные группы - катионы (протонированные е-аминогруппы лизина, гуанидиновые группировки аргинина, основные атомы азота имидазольного кольца гистидина) и анионы (р- и у-карбоксилат-анионы аспарагиновой и глутаминовой кислот). Возможно и электростатическое взаимодействие N- и С-концов полипептидной цепи.
Гидрофобная связь (называемая также "гидрофобным взаимодействием") представляет собой результат несвязного взаимодействия неполярных алкильных групп в боковых цепях таких аминокислот, как аланин, валин, лейцин, изолейцин, за
счёт сил притяжения Ван-дер-Ваальса (величина этих сил для СНз = 4 кДж/моль).
Гидратируемые группы оказывают влияние на формирование вторичной структуры белка тогда, когда молекулы воды, окружающие белковую молекулу, могут образовывать структуру, подобную структуре льда. В этом случае водный слой способствует стабильности именно той формы белковой молекулы, которая обеспечивает указанную возможность.
Очень важно, что из всех вышеперечисленных вариантов внутри- и межмолекулярных взаимодействий только дисульфидные мостики остаются неизменными при изменениях pH среды или смене полярности и ионной силы растворителей. Дисульфидные мостики разрушаются только под действием восстановителей.
Организованная определённым образом во вторичную структуру молекула белка затем укладывается в компактную, плотную структуру, называемую третичной структурой белка. В её образовании участвуют как регулярные (спирализованные или р-складчатые), так и аморфные участки полипептидной цепи. В некоторой степени третичная структура белков отражена в системе классификации белков, основанной на их растворимости в водных средах и являющейся более ранней по сравнению с уже упоминавшейся системой деления белков по продуктам их гидролиза (см. с. 66). В этом варианте классификации различают глобулярные белки, растворимые в воде и водных растворах кислот, оснований и солей, и фибриллярные белки, нерастворимые в этих растворителях. Третичная структура фибриллярных белков характеризуется нитевидностью (лат. fibrilla - волоконце), длина молекул этих белков в сотни раз больше их диаметра, что обусловлено параллельной (или анти- параллельной) ориентацией их цепей. Цепи фибриллярных белков группируются друг около друга в виде протяжённых пучков и отличаются очень большим числом межцепочечных водородных связей. Такие молекулы нерастворимы в воде, так как растворение требует высоких энергетических затрат на разрыв водородных связей, и очень прочны, поэтому они являются основным строительным материалом живых тканей (например кератины, коллаген, эластин, миозин, фиброин и пр.).
Третичная структура глобулярных белков имеет вид компактных клубочков, напоминающих по форме эллипсоид вращения (лат. globulus - шарик). В глобулярных белках преобладают внутримолекулярные водородные связи; число межмолекулярных связей невелико. Все или почти все полярные группы глобулярных белков расположены на поверхности молекул, гидрофобные остатки находятся внутри свернутой цепи. Сольватация молекул водой энергетически выгодна из-за доступности полярных групп и немногочисленности межмолекулярных водородных связей, что и обеспечивает высокую растворимость глобулярных белков. В организме глобулярные белки выполняют роль регуляторов и стабилизаторов процесса жизнедеятельности; к ним относятся ферменты, гормоны, глобулины, альбумины, тканевые белки и т.д.
У ряда белковых соединений несколько сложных поли- пептидных цепей белка могут агрегироваться вместе, создавая более сложный комплекс определённого строения, называемый четвертичной структурой белка. Каждая полипептидная цепь, образующая четвертичную структуру, называется субъединицей и сохраняет свойственные ей первичную, вторичную и третичную структуры, однако биологическая роль комплекса в целом отличается от биологической роли субъединиц вне комплекса. Фиксация четвертичной структуры обеспечивается водородными связями и гидрофобными взаимодействиями между субъединицами. Например, молекула гемоглобина - белка с четвертичной структурой - состоит из четырёх субъединиц, окружающих гем (простетическую железосодержащую группу - железопорфирин); между субъединицами нет ковалентной связи, однако тетрамер представляет собой единое целое, в котором субъединицы тесно связаны и ведут себя в растворе как одна молекула. Наличие четвертичной структуры характерно также для других металлопротеинов и для иммуноглобулинов. При формировании четвертичной структуры белка образующийся комплекс может содержать, помимо субъединиц полипептидной структуры, и субъединицы иной полимерной природы, а также соединения других классов.
Изменение условий, в которых находится молекула белка - изменение pH среды, повышенная температура, облучение
УФ-светом, рентгеновскими лучами, сильное механическое воздействие, давление, ультразвук - приводят к разрушению связей, обеспечивающих сохранение четвертичной, третичной и даже вторичной структур, и, следовательно, к разрушению уникальной нативной (созданной природой) структуры белка. Этот процесс носит название денатурации белка. Нарушение нативной конформации белка может быть обратимым (если изменение структуры легко устранимо и нативная структура восстанавливается легко) и необратимым (особенно выражено при повышении температуры, лучевом воздействии, обработках сильными кислотами и щелочами). Денатурация белка сопровождается снижением гидрофильности белковых молекул, уменьшением стабильности растворов белка в изоэлектрической точке, повышением реакционной способности таких функциональных групп молекулы, как -SH, -NH?, -С6Н4ОН, -СООН и др. Большинство белковых молекул проявляют специфическую функциональную активность только в узком интервале значений pH и температуры (физиологические значения). В результате изменений указанных параметров белок теряет активность из-за денатурации. Денатурированные белки существуют в виде случайных хаотических петель и клубков, форма которых подвержена изменениям.
Углеводы
Простые углеводы
Группу соединений, относимых к углеводам, разделяют на простые углеводы (моносахариды) и сложные углеводы (полисахариды). Моносахариды, или монозы, имеют молекулярную формулу СП(Н2О)П, которая и послужила основой для образования названия этого класса соединений (углерод + еода). По своей структуре углеводы относятся к оксиальдегидам и оксикетонам, в молекулах которых все атомы углерода, не входящие в карбонильную группу, связаны с гидроксильными группами. Поэтому их называют также полиоксиальдегидами, или альдозами^ и полиоксикетонами, или кетозами. В зависимости от числа атомов углерода монозы делят на триозы (три 72
атома), тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов), гексозы (шесть атомов) и гептозы (семь атомов). В зависимости ст строения карбонильной группы каждая из таких моноз обозначается как альдотриоза, альдогексоза, кетогексоза и т.п.
Классификация и стереохимия моноз полностью отражены стереохимическим рядом моноз, начинающимся от глицеринового альдегида (представляющего собой простейший полиоксиальдегид) для альдоз и диоксиацетона (представляющего собой простейший лолиоксикетон) для кетоз. Стереохимический ряд моноз основан на реакции удлинения цепи мо- нозы путем циангидринного синтеза, известного также как синтез Килиани-Фшиера. Нуклеофильное присоединение цианид- иона к карбонильной группе приводит к возникновению нового асимметрического атома углерода, причём из-за планарности группировки >С О вероятность возникновения обеих возможных конфигураций нового хирального центра близка, т.е. образуются два новых стереоизомера;
ННСН=ООН сн2онСН=ООН сн2онн2о н®н2о н®сн.онЦиангидрин (2 стереоизомера)сн.онЦиангидрин (2 стереоизомера)сн2онсн2онHCN еонHCN еону-Лактон (2 стереоизомера)у-Лактон (2 стереоизомера)сн=оNa/Hg Н-С^ОН Н2О* н-|—ОНСН2ОН Альдоза (2 стереоизомера)сн=оNa/Hg Н-С^ОН Н2О* н-|—ОНСН2ОН Альдоза (2 стереоизомера)* - новый хиральный центр* - новый хиральный центр
Н
Н
СН=О
ОН сн2он
СН=О
ОН сн2он
н2о н®
н2о н®
сн.он
Циангидрин (2 стереоизомера)
сн.он
Циангидрин (2 стереоизомера)
сн2он
сн2он
HCN еон
HCN еон
у-Лактон (2 стереоизомера)
у-Лактон (2 стереоизомера)
сн=о
Na/Hg Н-С^ОН Н2О* н-|—ОН
СН2ОН Альдоза (2 стереоизомера)
сн=о
Na/Hg Н-С^ОН Н2О* н-|—ОН
СН2ОН Альдоза (2 стереоизомера)
* - новый хиральный центр
* - новый хиральный центр
Два новых стереоизомера, образовавшиеся в результате циангидринного синтеза, содержат на один атом С больше, чем исходное соединение, но являются так же альдозами; это означает, что с каждым из них можно вновь осуществить описанную серию превращений, что в конечном счёте приводит к получению всего стереохимического ряда моноз.
Альдотриозасн-о
НОН
<—
—(
1
(
-О
СН2ОН D-Глицериновый альдегид
СН=О
н Н
Н
Е
(
(
>4
СН^Н D-Эритроза
с < хира
рн-о (
“ЮН но—
—ОН Н—
L-OH Н—
:н2он <
*ибоза D-A
■* - Алъдотетрозы одинаковой конфигу! много центра, несун ^Н-О^
—Нн
онно
—онн
:н2он<
рабинозаD-1
СН
—► D-Tp< зацией Чего СН2ОН ГН=0^
—юнно— н но
—он н—
:ион с
<силоза D-
ЮН юза
рн=о
—н н
—он
2НЮН Ликсоза
с одинаю
н— н—
>н— н
с D-
(
но— н— —^н—
н~
(
D4
овой конфигураь СН-О(
--ОНIh-
—он но- —ОН Н— —он Н—
:н2он<
АллозаD-
рН—ОС
—fl но— —ОН но- —ОН Н— —он н—
:н2онс
<льтроза D-1
Альдопенто ^ией хирального JH-O
—он н—
—н н—
—он но— —он н—
:н2онс
Глюкоза D- ,но(
-н но- —НН
—ОН НО—
—онН
:н2он<
Манноза D- ч л
" Альдогексозы
зы центра, несуи
—он н— —он НО— —н но— —он н—
:н2он (
Гулоза D-I рн=о ( —н но— —он но— ~и но- -юн н—
:н2он с
Идоза D-
Чего СН2ОН
:н=о
—он
-41
—н
—он
:н2он алактоза ш=о
-4 L-H
—н
—он
:н2он Талоза
(R-конфигурация)НОН
нОН
с одинаковой конфигурацией хирального центра, несущего СН2ОН
Все монозы, образованные из D-глицеринового альдегида (имеющего R-конфигурацию по системе Кана-Ингольда-Пре- лога), получены в результате превращений, не затрагивающих асимметрический атом, несущий группу СН2ОН, поэтому все эти соединения также считаются принадлежащими к D-ряду моносахаридов. Установлено, что все природные монозы относятся к D-ряду.
Химические свойства моноз отражают одновременное присутствие в молекуле карбонильной и оксигрупп, которые могут реагировать либо по отдельности (только гидроксильной или только карбонильной группой), либо обеими группами одновременно.
Мутаротация моноз - явление изменения вращения водного раствора монозы во времени до достижения определённого равновесного значения (у D-глюкозы от +111° до +52,5°). Это превращение связано с тем, что в водных растворах монозы существуют в виде оксо-циклотаутомеров".
(СНОН)—сн(СНОН)—сн6СН2ОНДва стереоизомерацикло-формы6СН2ОНДва стереоизомерацикло-формы(снон)3-к:н=о (снон)3—сн—о° ^н-он/ ^ ^Н-^Т,'^ 6СН2ОНСН2ОН
(СНОН)—сн
(СНОН)—сн
6СН2ОН
Два стереоизомерацикло-формы
6СН2ОН
Два стереоизомерацикло-формы
Оксо-форма
* - новый хиральный центр
Реакция сопровождается возникновением нового асимметрического атома, так как атака гидроксила, связанного с С5, возможна с обеих сторон плоской карбонильной группы; поэтому из одной открытой оксо-формы образуются две циклические стереоизомерные структуры, отличающиеся только конфигурацией атома С1. Эти стереоизомеры носят название аномеров. Аномер, в котором конфигурация нового хирального центра (С1) совпадает с конфигурацией хирального атома С5, называется а-аномером\ тот стереизомер, у которого конфигурация нового хирального центра (С1) противоположна конфигурации хирального атома С5, называется p-аномером. Поскольку образование циклоформы происходит в результате взаимодействия спиртовой гидроксильной группы с альдегидной группой,
которое, как известно, приводит к полуацеталям, аномерный гидроксил при С1 называется полуацетальным гидроксилом.
ПиранПиранОбразовавшиеся в ходе мутаротации циклические формы содержат кольца из шести атомов, одним из которых является кислород. Такая структура обозначается как тетрагидропиран, продукт исчерпывающего гидрирования пирана, шестичленного гетероциклического соединения с атомом кислорода:
Пиран
Пиран
Тетрагидропиран
Чтобы обозначить наличие такого кольца в циклоформе моно- зы, к корню её специфического наименования (см. стереохимический ряд моноз на с. 74) добавляют слово пираноза; так например, из глюкозы при мутаротации образуются а- и р- глюкопиранозы;
НО-
44
1(
1IT
КЯ ^
-он I
11
11 г
? НО
—ОН:н—
-°н1
но -
—Н '
:НО—
—н 9
н
“ОН
-w Н
ОН] w -^ л—
-он
н
н
—онн
—
СН2ОН СН2ОН СНзОН P-D-ГлюкопиранозаD-Глюкоза a-D-Глюкопираноза
Пиранозная форма цикла монозы является преобладающей в мутаротировавшем растворе; однако пространственное строение оксоформы делает возможным образование полуацеталей не только за счёт атаки гидроксильной группы; находящейся при С5. Возможно также участие в образовании циклоформы гидроксила, связанного с С4:
н но-н-№н но-н-№он-нон-нОНОНн но- ^ нн-н но- ^ нн-№Q№Qононнн но-нн но-он I ОНА -Н 7он I ОНА -Н 7ононннонон
н но-
н-
№
н но-
н-
№
он
-н
он
-н
ОН
ОН
н но- ^ н
н-
н но- ^ н
н-
№Q
№Q
он
он
н
н но-
н
н но-
он I ОНА -Н 7
он I ОНА -Н 7
он
он
н
н
он
он
п сн2он сн2он p-D-Глюкофураиоза D-Глюкозап сн2он сн2он p-D-Глюкофураиоза D-Глюкозасн2он a-D-Глюкофуранозасн2он a-D-Глюкофураноза
п сн2он сн2он p-D-Глюкофураиоза D-Глюкоза
п сн2он сн2он p-D-Глюкофураиоза D-Глюкоза
сн2он a-D-Глюкофураноза
сн2он a-D-Глюкофураноза
В этом случае возникают пятичленные циклы, которые обозначают как фуранозы из-за их сходства с тетрагидрофураном, продуктом исчерпывающего гидрирования фурана:
ОО
ФуранТетрагидрофуран
Альдопентозы существуют преимущественно в виде фураноз, хотя небольшая доля молекул может циклизоваться и в пиранозу:
за
)
$а
но— н—
—н ~| —он с
—он
С
) н н—
:н=о
—ОН”;
—oy.J
—ОН
:н2он
Рибоза
н— Н— н—
—он
—он (
—он 1
:н2он
бофурапо
н
н—
с p-D-Pr
но— н—
VI
:н2он
(бофураш
н
с
ззаD-’
н—
( a-D-Ри
—Н
—ОН (
—он
| (
:н=он—
—ОН
ПН
Э11
ГЛ VI
ГТ 11
Mil г
Ori
мп
ГЛ II
н—
P-D-
—он
сн2
Рибопир
Н
(
шозаD-
мпп
:н2он(
-Рибозаa-D-Ри
Uri
:н2 бопирано:
Аномерные формы, будучи диастереомерами, отличаются по физическим свойствам и могут быть разделены физико-химическими методами. Так, a-D-глюкопираноза растворима в воде хуже, чем p-изомер, поэтому из водного раствора кристаллизуется именно ot-форма. Свежеприготовленный раствор a-D-глюкопиранозы имеет [а]р20 = + 111°. p-D-Глюкопирано- за кристаллизуется из раствора глюкозы в пиридине, и её свежий водный раствор имеет [а]о20 = + 19,2°. Равновесная смесь, образующаяся в результате мутаротации как а-, так и р- D-глюкопираноз, содержит 36 % а-изомера и 64 % р-формы; соответственно, усреднённое значение [ос]о20 № мутаротиро-
вавшего раствора составляет 4- 52,5°. Доля оксоформы в равновесной смеси очень невелика (при pH 6,9 равновесная смесь D-глюкозы содержит только 0,026 мол% альдегидной формы). Поэтому монозы не дают характерного для альдегидов окрашивания в реакции с фуксиносернистой кислотой и не реагируют с бисульфитом натрия. Мутаротация катализируется кислотами и основаниями. В твёрдом состоянии монозы находятся исключительно в циклической форме.
Проекционные формулы Фишера не дают наглядного представления о пространственном строении полулегальных форм, поэтому циклические структуры удобнее изображать с помощью проекционных формул Хеуорса (в приводимых далее формулах атомы Н не указаны, чтобы не загромождать рисунок):
a-D-Глюкофуранозаp-D-Глюкофураноза
В этих формулах соединения D-ряда изображаются так, чтобы атом кислорода всегда располагался справа и сзади; при таком положении кольца первичная спиртовая группа СН2ОН при атоме С5, имеющем D-конфигурацию, находится над плоскостью кольца, а размещение остальных гидроксильных групп определяется их взаимным попарным расположением (трео- или эритро-^ по отношению к группе СН9ОН, вытека- 1Ьщим из проекционной формулы Фишера (после чётного числа перестановок при одном и том же асимметрическом атоме, что, как известно, не меняет конфигурации этого атома):
fHно- нн н-fHно- нн н-ОН>-н 9 онОН>-н 9 он1-я перестановка -Ни1-я перестановка -Ниснгонснгонц 1ц 1>но>ноонА« VонА« VСН2ОНСН2ОНнон2с—нон2с—нн2-я нереста-ц_1 —ОН 1новка - Ни^н—ОНсвязь с amoMOJ^^yQ-Д АО кольцац—оН|НОН2С-^—Н 12-я нереста-ц_1 —ОН 1новка - Ни^н—ОНсвязь с amoMOJ^^yQ-Д АО кольцац—оН|НОН2С-^—Н 1
fH
но- нн н-
fH
но- нн н-
ОН>
-н 9 он
ОН>
-н 9 он
1-я перестановка -Ни
1-я перестановка -Ни
снгон
снгон
ц 1
ц 1
>но
>но
онА« V
онА« V
СН2ОН
СН2ОН
нон2с—
нон2с—
н
н
2-я нереста-ц_1 —ОН 1
новка - Ни^н—ОН
связь с amoMOJ^^yQ-Д А
О кольцац—оН|
НОН2С-^—Н 1
2-я нереста-ц_1 —ОН 1
новка - Ни^н—ОН
связь с amoMOJ^^yQ-Д А
О кольцац—оН|
НОН2С-^—Н 1
Из формул Хеуорса хорошо видно, почему в равновесной смеси оксо-циклотаутомеров количественно преобладает р- аномер: в p-форме гидроксильные группы при С1 и С2 находятся в /ирдяс-положении, в то время как в а-аномере эти группы занимают z^c-положение. Как и всякому шестичленному циклу с насыщенными атомами углерода, тетрагидропирановому кольцу свойственна пространственная структура в виде кресла (см. также [8, с. 20-21]); барьер конверсии кольца для тетрагидропирана (энергетическая выгодность креслообразной конформации) составляет ^42 кДж/моль (10 ккал/моль). При этом объёмистая группа СН2ОН всегда занимает энергетически более выгодное экваториальное положение. Положение остальных гидроксильных групп легко определяется сопоставлением формул Хеуорса и креслообразных структур: группа ОН при С3 расположена на той же стороне кольца, что и группа СН2ОН (значит, она тоже экваториальна), а гидроксильные группы при С4 и С2 находятся на противоположной по отношению к СН2ОН стороне кольца и, следовательно, также занимают экваториальное положение:
a-D-Глюкопираноза ОН (1-(8)-Изомер)a-D-Глюкопираноза ОН (1-(8)-Изомер)p-D-Глюкопираноза (1-(К)-Изомер )p-D-Глюкопираноза (1-(К)-Изомер )
a-D-Глюкопираноза ОН (1-(8)-Изомер)
a-D-Глюкопираноза ОН (1-(8)-Изомер)
p-D-Глюкопираноза (1-(К)-Изомер )
p-D-Глюкопираноза (1-(К)-Изомер )
Положение полуацетальных гидроксилов, отличающее а- и р -аномеры друг от друга, также регулируется положением группы СН2ОН (см. с. 76 и 78). У а-аномера гидроксил при С1 аксиален, ибо расположен на противоположной от СН2ОН
стороне кольца, а у p-аномера этот гидроксил занимает более выгодное экваториальное положение. Таким образом, p-D- глюкопираноза является уникальным стереоизомером, в молекуле которого все заместители занимают наиболее энергетически выгодное пространственное положение, что и объясняет преобладание этого изомера в равновесной смеси, получаемой при мутаротации, а также наибольшую распространённость этого изомера гексоз, цис-Расположение заместителей при С* и С2 в a-D-глюкопиранозе отвечает аксиально-экваториальному положению гидроксильных групп.
Согласно данным о составе равновесной смеси оксо-цик- ло-таутомеров, доля изомера с аксиальным аномерным гидроксилом составляет 36%, в то время как равновесная смесь, характеризующая конформационное равновесие циклогексанола содержит только 11% конформера с аксиальной группой ОН.
Эта разница - более, чем в три раза увеличенная доля аксиального изомера - характерна только для гидроксильного заместителя; в других производных глюкозы, содержащих вместо группы ОН группировки ОСН3, О(С=О)СНз, С1, доля аксиального изомера ещё выше (67, 86 и 94 %, соответственно). Очевидно, что аномерный электроотрицательный заместитель в молекуле глюкозы явно предпочитает занимать аксиальное положение, и этот фактор обычно перевешивает ожидаемое преимущество экваториальной конформации. Относительная предпочтительность аксиальной конфигурации электроотрицательных заместителей при аномерном центре пираноз называется аномерным эффектом, его величина составляет около 1-2 ккал/моль. Этот эффект объясняется взаимодействием неподслённой электронной пары пиранозного атома кислорода с антисвязы- вающей орбиталью атома кислорода гидроксильной группы. Это взаимодействие рассматривают как диполь-дипольное взаимодействие и объясняют тем, что при аксиальном расположении заместителя у С1 угол между диполями увеличивается 80
и взаимодействие становится слабее. В связи с этим величина аномерного эффекта зависит от природы заместителя при С1: Br > Cl > OCOR > ОСНз > ОН.
Рассмотрение конформационных формул ещё двух достаточно распространённых гексоз D-ряда — D-маннозы и D-галактозы — свидетельствует об аксиальности гидроксильных групп при С2 у маннозы и при С4 у галактозы:
a-D-Маннопиранозар—D-Маннопираноза
a-D-Галактопиранозаp-D-1'алактопираноза
Однако предположение, что увеличение числа аксиальных групп в молекуле монозы будет увеличивать долю конформера с экваториальным заместителем при аномерном центре, не всегда оказывается верным. Мутароция D-маннозы приводит у смеси, содержащей около 31 % р- и 69 % a-аномера. Преобладание формы, имеющей аксиальный полуацетальный гидроксил, в структурах, подобных маннозе (т.е. имеющих аксиально расположенный гидроксил при С2 и экваториальный электроноакцепторный заместитель при С1), носит название ^-эффекта. Сближение кислородных атомов двух группировок при их аксиально-экваториальном цис-расположении приводит к сильному электронному отталкиванию электронных облаков этих атомов, что делает конформацию p-формы менее устойчивой, чем при диаксиальном /иринс-размсщении заместителей. Безусловно, свою роль в стабилизации диаксиальной структуры играет и аномерный эффект.
Эпимеризация моноз, называемая также "перегруппировкой Лобри-де-Брюина - Ван-Экенштайна", протекает при обработ-
ке моноз слабыми (< 1 %) растворами щелочей. В ходе этой перегруппировки вследствие переноса протона, осуществляющегося под влиянием гидрокси-аниона, возникает промежуточное соединение - ендиол, в котором тетраэдрический асимметрический атом С2 превращён в плоский др2-гибридизован- ный- Превращения ендиола, протекающие с участием гидроксил-аниона или молекулы воды, могут привести как к образованию кетозы (через миграцию протона от ОН при С2 к С1), так и к двум альдозам (через миграцию протона от ОН при С1 к С2), причём во втором случае подход молекулы воды к карбаниону с обеих сторон енолят-иона равновероятен, что вызывает равновероятное образование альдоз, отличающихся только конфигурацией атома С2.
Из D-глюкозы при обработке слабощелочными растворами образуется смесь D-глюкозы, D-маннозы и D-фруктозы. Альдозы, отличающиеся только конфигурацией атома С, ближайшего к альдегидной группе, называются эпимерными, или эпимерами, поэтому вся реакция получила название эпимеризации. Следует иметь в виду, что кетоза, образующаяся при эпимеризации, является структурным, а не пространственным изомером эпимерных альдоз; хотя кетозы и образуются наравне с альдозами при эпимеризации и сами при слабощелочной обработке дают такую же смесь, как и альдозы, это не позволяет отнести к эпимерам три соединения - две альдозы и кетозу, так как эпимеры - это разновидность диастереомеров, которые 82
отличаются конфигурацией только одного из нескольких име
ющихся центров хиральности.
Образующаяся при эпимеризации D-глюкозы D-фруктоза является самой распространённой в природе кетогексозой. В водных растворах D-фруктоза может существовать как в пиранозной, так и в фуранозной формах:
НОН.С^О\СН2ОНнон2с^/°\он
Л—7 он .1г сн2он_ он 3ОНa-D-Фруктофуранозаp-D-ФруктофуранозаЛ—7 он .1г сн2он_ он 3ОНa-D-Фруктофуранозаp-D-Фруктофуранозаa-D-Фруктопиранозар-и-Фруктопиранозаa-D-Фруктопиранозар-и-Фруктопираноза
Л—7 он .1г сн2он
_ он 3ОН
a-D-Фруктофуранозаp-D-Фруктофураноза
Л—7 он .1г сн2он
_ он 3ОН
a-D-Фруктофуранозаp-D-Фруктофураноза
a-D-Фруктопиранозар-и-Фруктопираноза
a-D-Фруктопиранозар-и-Фруктопираноза
сно (рнон сн2онсно (рнон сн2онРетроальдольное расщепление моноз происходит под влиянием более концентрированных, чем для эпимеризации, водных растворов щелочей и, как правило, при нагревании. При таком расщеплении получается довольно сложная смесь соединений, молекулы которых состоят в основном из трех атомов углерода (глицериновый альдегид, диоксиацетон) и более коротких молекул (формальдегид, гликолевый альдегид):
сно (рнон сн2он
сно (рнон сн2он
О-СННЗНзОНГликолевый альдегид —►АльдотстрозаО-СННЗНзОНГликолевый альдегид —►АльдотстрозаКетогексозаКетогексоза
О-СННЗНзОН
Гликолевый альдегид —►
Альдотстроза
О-СННЗНзОН
Гликолевый альдегид —►
Альдотстроза
Кетогексоза
Кетогексоза
и^Лчерез^ pj-CH^o + эпимеризациюи^Лчерез^ pj-CH^o + эпимеризацию:н=о н2он:н=о н2онсн2он
и^Лчерез^ pj-CH^o + эпимеризацию
и^Лчерез^ pj-CH^o + эпимеризацию
:н=о н2он
:н=о н2он
+ с=о +
СН2ОН
Диоксиацетон
Реакция идёт по механизму, обратному механизму альдольной конденсации, причём как непосредственно с альдозами, так и
через эпимеризацию альдоз в кетозы с последующим их расщеплением.через эпимеризацию альдоз в кетозы с последующим их расщеплением.4. Образование фенклозазонов наблюдается при действии на монозы трехкратного количества фенилгидразина:СН=ОенД—NHC6H5 ®сн—NH—NHI СбН5кнхн2 L-^У~*—*"сн—он —►с№он —► кс°-юн С6Н5CHyNHr^H—С6Н5CH=NH—* ^^^ю-т^~* №)е [+ NH2C6H51—►4. Образование фенклозазонов наблюдается при действии на монозы трехкратного количества фенилгидразина:СН=ОенД—NHC6H5 ®сн—NH—NHI СбН5кнхн2 L-^У~*—*"сн—он —►с№он —► кс°-юн С6Н5CHyNHr^H—С6Н5CH=NH—* ^^^ю-т^~* №)е [+ NH2C6H51—►ЕнгидразонЕнгидразонCH-NHCH-NHc6h5nhnh2c6h5nhnh2CH-NHCH-NHC6H5NHNH2C6H5NHNH2C=N—КНСбН5C=N—КНСбН5Продукт внутримолекулярнойПродукт внутримолекулярнойокислительно-восстановительной реакцииокислительно-восстановительной реакцииCH=N—NHC6H5C-N~NHC6H5CH=N—NHC6H5C-N~NHC6H5Фенилозазон монозы (единый для трёх моноз, образующихся в результате эпимеризации)Фенилозазон монозы (единый для трёх моноз, образующихся в результате эпимеризации)Эта реакция используется для доказательства того, что исследуемые монозы отличаются только конфигурацией атома С2. При кислотно-катализируемом гидролизе или обработке бензальдегидом фенилозазоны превращаются в так называемые озоны, мягкое восстановление которых амальгамой натрия в слабокислой водной среде протекает по более реакционноспособной альдегидной группе и позволяет перейти от альдоз к кетозам.Эта реакция используется для доказательства того, что исследуемые монозы отличаются только конфигурацией атома С2. При кислотно-катализируемом гидролизе или обработке бензальдегидом фенилозазоны превращаются в так называемые озоны, мягкое восстановление которых амальгамой натрия в слабокислой водной среде протекает по более реакционноспособной альдегидной группе и позволяет перейти от альдоз к кетозам.CH-N—NHC6H5CH-N—NHC6H5_C=N-NHC6H5_C=N-NHC6H5н2оНОн2оНОСН=ОСН=ОС=ООзонС=ООзонNa/HgНаО + НС1Na/HgНаО + НС1СН2ОНС=О-+-СН2ОНС=О-+-5. Окисление моноз5. Окисление монозпротекает по-разному в зависимости от
через эпимеризацию альдоз в кетозы с последующим их расщеплением.
через эпимеризацию альдоз в кетозы с последующим их расщеплением.
4. Образование фенклозазонов наблюдается при действии на монозы трехкратного количества фенилгидразина:
СН=ОенД—NHC6H5 ®сн—NH—NH
I СбН5кнхн2 L-^У~*—*"
сн—он —►с№он —► кс°-юн С6Н5
CHyNHr^H—С6Н5CH=NH
—* ^^^ю-т^~* №)е [+ NH2C6H51—►
4. Образование фенклозазонов наблюдается при действии на монозы трехкратного количества фенилгидразина:
СН=ОенД—NHC6H5 ®сн—NH—NH
I СбН5кнхн2 L-^У~*—*"
сн—он —►с№он —► кс°-юн С6Н5
CHyNHr^H—С6Н5CH=NH
—* ^^^ю-т^~* №)е [+ NH2C6H51—►
Енгидразон
Енгидразон
CH-NH
CH-NH
c6h5nhnh2
c6h5nhnh2
CH-NH
CH-NH
C6H5NHNH2
C6H5NHNH2
C=N—КНСбН5
C=N—КНСбН5
Продукт внутримолекулярной
Продукт внутримолекулярной
окислительно-восстановительной реакции
окислительно-восстановительной реакции
CH=N—NHC6H5
C-N~NHC6H5
CH=N—NHC6H5
C-N~NHC6H5
Фенилозазон монозы (единый для трёх моноз, образующихся в результате эпимеризации)
Фенилозазон монозы (единый для трёх моноз, образующихся в результате эпимеризации)
Эта реакция используется для доказательства того, что исследуемые монозы отличаются только конфигурацией атома С2. При кислотно-катализируемом гидролизе или обработке бензальдегидом фенилозазоны превращаются в так называемые озоны, мягкое восстановление которых амальгамой натрия в слабокислой водной среде протекает по более реакционноспособной альдегидной группе и позволяет перейти от альдоз к кетозам.
Эта реакция используется для доказательства того, что исследуемые монозы отличаются только конфигурацией атома С2. При кислотно-катализируемом гидролизе или обработке бензальдегидом фенилозазоны превращаются в так называемые озоны, мягкое восстановление которых амальгамой натрия в слабокислой водной среде протекает по более реакционноспособной альдегидной группе и позволяет перейти от альдоз к кетозам.
CH-N—NHC6H5
CH-N—NHC6H5
_C=N-NHC6H5
_C=N-NHC6H5
н2о
НО
н2о
НО
СН=О
СН=О
С=О
Озон
С=О
Озон
Na/Hg
НаО + НС1
Na/Hg
НаО + НС1
СН2ОН
С=О
-+-
СН2ОН
С=О
-+-
5. Окисление моноз
5. Окисление моноз
характера использованного для окисления реагента.
Очень слабые окислители затрагивают только более активную альдегидную группу и превращают адьдозы в алъдоно- вые кислоты;
(:н=он—онно-—ннонн—-он(:н=он—онно-—ннонн—-онСН2ОН D-ГлюкозаСН2ОН D-Глюкозас:оонО=(г1н-—онн——он 1► но--н—► но-—нононнОН 1н —-онн(:шон:н,онD-ГлюконоваяЛактон D-глюконовойкислотакислотыс:оонО=(г1н-—онн——он 1► но--н—► но-—нононнОН 1н —-онн(:шон:н,онD-ГлюконоваяЛактон D-глюконовойкислотакислоты
(
:н=о
н
—он
но-
—н
н
он
н—
-он
(
:н=о
н
—он
но-
—н
н
он
н—
-он
СН2ОН D-Глюкоза
СН2ОН D-Глюкоза
с
:оон
О=(
г1
н-
—он
н—
—он 1
► но-
-н
—► но-
—но
н
он
н
ОН 1
н —
-он
н
(
:шон
:н,он
D-Глюконовая
Лактон D-глюконовой
кислота
кислоты
с
:оон
О=(
г1
н-
—он
н—
—он 1
► но-
-н
—► но-
—но
н
он
н
ОН 1
н —
-он
н
(
:шон
:н,он
D-Глюконовая
Лактон D-глюконовой
кислота
кислоты
В качестве слабых окислителей применяют аммиачный раствор окиси серебра [Ag(NH3)2]OH, называемый реактивом Томенса; реактив Фелинга, представляющий собой смесь гидроокиси двухвалентной меди с калий-натрий-тартратом (калий, натриевой солью винной кислоты); разбавленный раствор азотной кислоты; раствор брома в воде (бромная вода). При использовании реактива Толленса, помимо альдоновых кислот, образуется металлическое серебро, осаждающееся на поверхности реакционного сосуда; поэтому реакция называется “реакцией серебряного зеркала*' и служит качественной реакцией на альдегидоспирты. В качестве теста на альдозы используется и реактив Фелинга, при реакции с которым выпадает нерастворимый в воде осадок красновато-коричневой закиси меди.
Окислители со средней окисляющей способностью (см. [8, разд. 2.2.5]) превращают в карбоксильную группу не только альдегидную, но и первично-спиртовую функции, окисляя альдозы до сахарных (альдаровых) кислот;
СН=ОСН=ОН—ОНН—ОННОННОНН—ОНН—ОНН—ОНН—ОНСООНН—ОН НОНН—ОНСООНН—ОН НОНН—ОНСН2ОН D-ГлюкозаСН2ОН D-ГлюкозаСООН .СООН .D-Глюкаровая кислотаD-Глюкаровая кислота
СН=О
СН=О
Н—ОН
Н—ОН
НОН
НОН
Н—ОН
Н—ОН
Н—ОН
Н—ОН
СООН
Н—ОН НОН
Н—ОН
СООН
Н—ОН НОН
Н—ОН
СН2ОН D-Глюкоза
СН2ОН D-Глюкоза
СООН .
СООН .
D-Глюкаровая кислота
D-Глюкаровая кислота
Окисление HJO4, характерное для вицинальных диолов, оксиальдегидов, оксикетонов и приводящее к смеси альдегидов или к смеси альдегидов и кислот, для моноз протекает так же и даёт смесь формальдегида с муравьиной кислотой:
шо4
о оно онн—R' ► RСН=О + О=СН—R' + HJO3;
о он
о он
Н
юо4
—R' *-R—С—ОН + О=СН—R + ШО3;
о
НОСН2-(СНОН)4-СН=О + НЮ4 -> 5 НСООН + Н2С=О.
Окисление альдоз, имеющих защищённую (т.е. неспособную реагировать) альдегидную группу, концентрированной азотной кислотой приводит к образованию полиоксиальдегидокарбоновых кислот, называемых уроновыми кислотами. Уроновые кислоты образуются в живых организмах при окислении гликозидов и участвуют в процессах детоксикации у теплокровных (например, фенол выводится из организма в виде сложного эфира глюкуроновой кислоты):
RO-CH-OR
RO—сн—OR
сн-о
и-
—он
н—
—он
Н/^
н-
—он
НО-
Н HNO3
но-
—н
но-
н
н—
-он **
н
он
на
н
-он
н—
-он
н—
-он
н-
-он
(
:н2он
соон
соон
D-Глюкоза
D-Глюкуроновая кислота
Восстановление моноз, как и всяких карбонильных соединений, приводит к превращению карбонильных групп в спиртовые; при этом получаются полиолы, называемые сахарными спиртами. В зависимости от числа атомов углерода в цепочке сахарные спирты делятся на тетриты, пентиты, гекситы и т.д. Из глюкозы и фруктозы получается сорбит (гексит), из маннозы - маннит (гексит), из галактозы - дульцит (тоже гексит), из ксилозы - ксилит (пентит) и т.п.:
СН2ОН-(СНОН)4-СН=О -> СН2ОН-(СНОН)4-СН2ОН.
Помимо амальгамы натрия в водной (или водно-спиртовой, или спиртовой) среде, для восстановления моноз используют водород в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni) и гидриды металлов (особенно NaBH4). Следует иметь в виду, что при восстановлении альдоз образуется один спирт, а при восстановлении кетоз получаются два стеоизомерных полиола:
(
ЗНОН
( н-
:н2он
—он
( но-
:н2он н
но—
—
11
н
—► но
—н
н
-он
н
он +
н
он
н-
-он
н-
-он
н-
-он
<
люн
(
:н>он
СН2ОН
D-Фруктоза
D-Сорбит
D-Маннит
Дегидратация моноз происходит при действии минеральных кислот и приводит к производным фурана. Эти реакции позволяют отличить пентозы от гексоз. Пентозы теряют три молекулы воды, превращаясь в фурфурол (2-фуран-альдегид), который даёт яркое окрашивание с резорцином или флороглюцином.
О ФурфуролО ФурфуролСН=О(уюн)3CH2OH
О Фурфурол
О Фурфурол
Гексозы при аналогичной обработке также дают производное фурана - 5-гидроксиметилфурфурол, который, теряя молекулу муравьиной кислоты, превращается в левулиновую (4-оксопентановую) кислоту:
<рн=оСНОН)4СНОП<рн=оСНОН)4СНОПнон2с-^^-сн-оОнон2с-^^-сн-оО
<рн=о
СНОН)4
СНОП
<рн=о
СНОН)4
СНОП
нон2с-^^-сн-оО
нон2с-^^-сн-оО
+ нсоон.+ нсоон.сн3-с-сн2-сн2-соон
+ нсоон.
+ нсоон.
О Левулиновая кислота
Укорочение цепи моноз {синтез Воля) позволяет перейти от монозы с большим числом атомов углерода к соединению с более короткой цепью. Расщеплению цепи подвергают оксим
монозы, который в ходе ацетилирования моносахарида уксусным ангидридом в присутствии уксуснокислого натрия теряет молекулу воды и образует ацетилированный нитрил альдоновой кислоты. После удаления ацетильных групп основанием производят отщепление молекулы HCN действием окиси серебра в присутствии аммиака, которое приводит к альдозе с цепью, укороченной на один атом углерода:
CH=NOHНО-—нН (CHjCOhOH~2Z2I1 CH3COONa н онСН2ОНОксим D-глюкозыCH=NOHНО-—нН (CHjCOhOH~2Z2I1 CH3COONa н онСН2ОНОксим D-глюкозыC^NН СН3СОО н нC^NН СН3СОО н н-ОСОСНз -н ОСОСНз -ОСОСНз-ОСОСНз -н ОСОСНз -ОСОСНзNH3 или*1CHjONaNH3 или*1CHjONaСН2ОСОСН3СН2ОСОСН3
CH=NOH
НО-—нН (CHjCOhO
H~2Z2I1 CH3COONa н он
СН2ОН
Оксим D-глюкозы
CH=NOH
НО-—нН (CHjCOhO
H~2Z2I1 CH3COONa н он
СН2ОН
Оксим D-глюкозы
C^N
Н СН3СОО н н
C^N
Н СН3СОО н н
-ОСОСНз -н ОСОСНз -ОСОСНз
-ОСОСНз -н ОСОСНз -ОСОСНз
NH3 или*1
CHjONa
NH3 или*1
CHjONa
СН2ОСОСН3
СН2ОСОСН3
енононн-—онн—оненононн-—онн—онСН2ОН D-АрабинозаСН2ОН D-Арабиноза
ено
но
н
н-
—он
н
—он
ено
но
н
н-
—он
н
—он
СН2ОН D-Арабиноза
СН2ОН D-Арабиноза
н-
—он
но-
—н
н-
-он
н—
-он
Ag2O/NH3
- AgCN
СН2ОН
Нитрил D-глюконовой кислоты
Неоднократное повторение таких операций позволяет перейти от любой монозы к глицериновому альдегиду.
Алкилирование моноз приводит, в зависимости от применяемого реагента, к соединениям с различными степенями замещения функциональных групп алкильными остатками.
При обработке моноз спиртами в присутствии сухого газообразного НО получаются ацетали, называемые гликозидами (в связи с этим полуацетальный гидроксил называется также гликозидным). Поскольку образование ацеталей характерно для альдегидов и несвойственно спиртам, в реакции участвует только гидроксильная группа при С1, причём реакция в водном растворе сопровождается мутаротацией. Образующийся в результате алкилгликозид является смесью аномеров (в формулах Хеуорса и конформационных формулах неопределённая
конфигурация гликозидного гидроксила изображается горизонтально расположенным волнистым валентным штрихом):
сн3онсн3онОНМетил-В-глюкопиранозидОНМетил-В-глюкопиранозид
сн3он
сн3он
ОН
Метил-В-глюкопиранозид
ОН
Метил-В-глюкопиранозид
Чтобы подчеркнуть, что связь с алкильным остатком образована через атом кислорода, часто используют название О- алкилгликозиды. Являясь по химическому характеру ацеталями.
алкилгликозиды легко гидролизуются водными растворами
кислот, но устойчивы к гидролизу в щелочных условиях.
Действие на монозы алкилгалогенидов в смеси с окисью серебра или диалкил сульфатов в щелочной среде (в условиях образования простых эфиров из спиртов) приводит к алкилированным моносахаридам; обычно эту реакцию проводят с О-метилгликозидами для получения так называемых "исчерпывающе метилированных моноз"*.
ОНМетил- D-глюкопиранозидОНМетил- D-глюкопиранозидОСН3 Тетраметил-О-метил-ОСН3 Тетраметил-О-метил-ОСН3ОСН3D-глюкопиранозаD-глюкопиранозаТетраметил-В-глюкоза ОСН3Тетраметил-В-глюкоза ОСН3
ОН
Метил- D-глюкопиранозид
ОН
Метил- D-глюкопиранозид
ОСН3 Тетраметил-О-метил-
ОСН3 Тетраметил-О-метил-
ОСН3
ОСН3
D-глюкопираноза
D-глюкопираноза
Тетраметил-В-глюкоза ОСН3
Тетраметил-В-глюкоза ОСН3
При гидролизе в кислой среде пентаметилмонозы (тетраметил- О-метилгликозиды) теряют метильную группу только от группы ОСНз при С1 (как известно, ацетали в этих условиях расщепляются, а простые эфиры не склонны к такому гидроли- 89
зу). Тетраметилмонозы способны к мутаротации; при образовании оксоформы возникает не имеющий замещения метильной группой гидроксил, причём если частичному гидролизу подвергалась пентаметил пираноза, то свободным окажется гидроксил при С3. Если обработка водными растворами кислот производилась для пентаметил фуранозы, то свободным будет гидроксил при С4. Это отличие положено в основу принципа определения размера кольца циклической формы монозы: при жёстком окислении тетраметилмоноз азотной кислотой альдегидная группа превращается в карбоксильную, а вторичная спиртовая группа при С5 или С4 - в кетогруппу. Дальнейшее окисление сопровождается расщеплением связей С-С, примыкающих к карбонильной группе (Сб-С5 и С5-С4 или С5~С4 и С4-С3), и образованием дикарбоновых кислот с пятью и четырьмя атомами углерода (триметоксиглутаровой и диметоксиян- тарной кислот), если кетогруппа включает С5, и дикарбоновых кислот с четырьмя и тремя атомами С (диметоксиянтарной и метоксималоновой кислот), если кетогруппа образована с участием С4:
СООНСООНсн3о—нсн3о—н!з!зннОСНзОСНзСООНТриметоксиглутароваякислотаСООНТриметоксиглутароваякислотаСООНН-к ОСНзсн3о-|—нСООНДиметоксиянтарнаякислотаСООНН-к ОСНзсн3о-|—нСООНДиметоксиянтарнаякислотаСООНн—рОСНзСООНСООНн—рОСНзСООНМетоксималоноваякислотаМетоксималоноваякислота
СООН
СООН
сн3о—н
сн3о—н
!з
!з
н
н
ОСНз
ОСНз
СООНТриметоксиглутароваякислота
СООНТриметоксиглутароваякислота
СООН
Н-к ОСНзсн3о-|—н
СООН
Диметоксиянтарная
кислота
СООН
Н-к ОСНзсн3о-|—н
СООН
Диметоксиянтарная
кислота
СООНн—рОСНзСООН
СООНн—рОСНзСООН
Метоксималоноваякислота
Метоксималоноваякислота
Частным случаем алкилирования спиртовых гидроксильных групп моноз является образование тритиловых (трифенилметиловых) эфиров моноз при действии на пиридиновый раствор монозы трифенилхлорметана (СбН5)3СС1 при комнатной температуре. Из-за большого объёма тритильной группы скорость реагирования со вторичными ОН-группами значительно меньше, чем с первичной спиртовой группой моносахарида, поэтому в мягких условия тритилирования реагирует только группа СН2ОН. Тритиловые эфиры используют для избирательной защиты первичной спиртовой группы моноз; они устойчивы в щелочных условиях, но расщепляются при
обработке раствором бромоводорода в безводной уксусной кислоте.
Ацилирование моноз происходит при действии на них хлор- ангидридов или ангидридов кислот в присутствии кислых (ZnCl2) или основных (пиридин, ацетат натрия) катализаторов. Например, для ацетилирования моноз используется уксусный
ангидрид:
* Ас обозначает ацетил, ацильный остаток уксусной кислотыОАс
При этом конфигурация аномерного центра в полученной пен- таацстилмонозе зависит от условий реакции. В холодном пиридине реакция идёт быстрее, чем мутаротация, поэтому получается аномер с той же ориентацией, какая была у исходного соединения. В горячем пиридине и в присутствии ацетата натрия мутаротация осуществляется быстрее этерификации, и образуется преимущественно аномер с экваториально расположенной ацетоксигруппой независимо от конфигурации аномерного центра в исходной монозе.
Гликозидный гидроксил и первичная спиртовая группа этерифицируются легче, чем остальные гидроксильные группы. Ацетоксигруппа при С1 отличается по своим свойствам от остальных ацетоксигрупп; она легче замещается нуклеофильными агентами благодаря влиянию атома кислорода, находящегося при том же атоме углерода. Так, при действии НВг в безводной среде на пентаацетилглюкозу образуется 1 -бром-тет- раацетилглюкоза, причём независимо от положения группы ОАс в исходном соединении получается аномер с аксиальным положением атома брома (из-за аномерного эффекта). Бром- тетраацетилглюкоза легко обменивает атом брома на остатки 91
спиртов или даже фенолов в присутствии окиси или соли серебра; реакция идёт с обращением конфигурации, поэтому образующиеся при этом гликозиды всегда имеют р-конфигурацию аномерного углерода (эти превращения Кенигсен и Кнорр предложили в качестве метода получения р-гликозидов, так
как ацетоксигруппы можно удалить в условиях, не затрагивающих гликозидные связи).
Радикал, замещающий атом водорода в гликозидном гидроксиле, называется агликоном. Помимо 0-гликозидов, в которых связь между агликоном и остатком монозы осуществлена через атом кислорода, существуют N-гликозиды и С-гликозиды:
О-ГликозидО-ГликозидNHRNHRN-ГликозидN-ГликозидС-ГликозидС-Гликозид
О-Гликозид
О-Гликозид
NHR
NHR
N-Гликозид
N-Гликозид
С-Гликозид
С-Гликозид
В природе наиболее распространены О- и N-гликозиды. Большое количество О-гликозидов с агликонами, принадлежащими к различным классам органических соединений, встречается в растениях. В стручках ванили, например, содержится ванилил-р-В-глюкопиранозид с ароматическим агликоном; агликон с ароматическим ядром имеется и в молекуле кониферина, входящего в состав лигнина; горький вкус и специфический аромат миндаля и других косточковых являются следствием расщепления амигдалина, агликоном которого служит остаток, содержащий нитрильную группу:
СН2ОН нСН2ОН нн-он-оононсн3 глюкопиранозидсн3 глюкопиранозидВанилил-p-D-iВанилил-p-D-i
СН2ОН н
СН2ОН н
н-о
н-о
он
он
сн3 глюкопиранозид
сн3 глюкопиранозид
Ванилил-p-D-i
Ванилил-p-D-i
Наиболее распространенными в природе N-гликозндами являются компоненты нуклеиновых кислот - нуклеозиды. В качестве сахарной части молекулы в нуклеозиды входят остатки P-D-рибофуранозы.
ОНТимидин(только в составе ДНК)ОНТимидин(только в составе ДНК)ОН ОНЦитидинОН ОНЦитидинОН ОНУридин (только в составе РНК)ОН ОНУридин (только в составе РНК)ОН ОНГуанозинОН ОНГуанозин
ОН
Тимидин
(только в составе ДНК)
ОН
Тимидин
(только в составе ДНК)
ОН ОН
Цитидин
ОН ОН
Цитидин
ОН ОН
Уридин (только в составе РНК)
ОН ОН
Уридин (только в составе РНК)
ОН ОН
Гуанозин
ОН ОН
Гуанозин
Неизменённая D-рибоза входит в молекулы рибонуклеозидов, компонентов рибонуклеиновой кислоты (РНК), в то время как в молекулах дезоксирибонуклеозидов, компонентов дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), сахарная часть представляет собой 2-дезокси-р-О-рибофуранозу (т.е. D-рибозу, у которой заместителями при С2 являются не Н и ОН, а два атома Н). В качестве агликона нуклеозиды содержат пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (тимин, урацил и цитозин) основания (см. также с. 32-33).
Значительно реже встречаются С-гликозиды. Один из них, псевдоуридин, входит в состав некоторых РНК. C-Гликозиды, в которых агликонами служат остатки аденина, а также остатки не встречающихся в составе ДНК и РНК гетероциклических оснований, являются антибиотиками. Структурные формулы некоторых N- и С-гликозидов приведены на с.93.
Если О-гликозиды с химической точки зрения являются ацеталями и поэтому легко гидролизуются в кислой среде, то N- и особенно С-гликозиды значительно устойчивее к гидролизу в этих условиях. Все гликозиды устойчивы к гидролизу в щелочной среде. При кислотном гидролизе гликозидов освободившийся от агликона гликозидный гидроксил вследствие мутаротации может занять как а-, так и р-положенис независимо от исходной конфигурации гликозида. При ферментативном гидролизе, происходящем в живых организмах, результат полностью определяется характером фермента: часть ферментов катализирует гидролиз только р-гликозидных связей (например эмульсин из миндаля), часть - только а-гликозидных связей (например мальтаза из дрожжей).
В качестве агликонов при образовании гликозидной связи могут выступать и молекулы моноз; в этом случае образуются ди-, олиго- и полисахариды.
2е2*2,Олиго- и полисахариды
В олигосахаридах гликозидной связью связаны от двух до десяти остатков моноз. Связывание двух моносахаридных остатков может привести к двум типам структур:
связывание осуществляется за счёт гликозидных гидроксилов обеих моноз;
связывание осуществляется за счёт гликозидного гидроксила одной монозы и спиртового гидроксила другой.
Химически эти два типа гликозидов, называемые соответственно невосстанавливающими и восстанавливающими дисахаридами, сильно отличаются друг от друга. Восстанавливающие дисахариды имеют свободный полуацетальный гидроксил и, следовательно, способны к оксо-циклотаутомерии. Приобретая в ходе мутаротации альдегидную группу, эти соединения могут участвовать в реакциях с реактивами Толленса и Фелинга (см. с. 85) в роли восстановителей ионов Ag+ и Си2+. Для невосстанавливающих дисахаридов такие реакции неосуществимы.
Наиболее биологически важными дисахаридами являются сахароза, мальтоза, лактоза и целлобиоза.
Сахароза (а-В-глюкопиранозидо-р-В-фруктофуранозид> называется также тростниковым сахаром и содержится в тростнике, сахарной свекле, различных фруктах, ягодах и овощах. Систематическое название сахарозы отражает и конфигурацию обоих гликозидных гидроксилов (а или р), и наличие связи С^С1* (суффикс -озид у названий обеих моноз).
Удельное вращение сахарозы, равное 4- 66,6°, при нагревании сахарозы с водными растворами кислот или с водой в присутствии фермента инвертазы меняет свой знак на противоположный. Эта инверсия вращения связана с тем, что в описанных условиях сахароза гидролизуется с образованием смеси равных количеств D-глюкозы с [а)п20 — + 52,5° и D-фруктозы с [oi]d20 = - 92°; суммарное вращение, являющееся среднеариф-
метйческим от вращений обеих моноз, имеет отрицательный знак. Смесь, получающаяся при гидролизе сахарозы, называется инвертным сахаром; он содержится, в частности, в пчелином мёде.
Мальтоза \4-(а-В-глюкопиранозидо)-В-глкжопираноза\, или солодовый сахар, в свободном виде не встречается; образуется из крахмала или гликогена под действием ферментов группы амилаз (диастазы). Водой гидролизуется в присутствии фермента мальтазы до D-глюкозы. Систематическое название указывает на наличие гликозидной связи между имеющим а-конфигурацию атомом С1 одного остатка глюкозы и атомом С4 другого остатка.
Лактоза представляет собой 4-(р-В-галактопиранозидо)- В-глюкопиранозу.
Это соединение является важнейшим из сахаров молока (оно 96
синтезируется в молочной железе); лактоза найдена также в пыльцевых трубочках ряда растений. Лактоза расщепляется ферментом лактазой на D-галактозу и D-глюкозу, а при брожении образует молочную кислоту. Как и мальтоза, лактоза способна к мутаротации, так как обладает свободным гликозидным гидроксилом.
Целлобиоза [ 4-(р-В-глюкопиранозидо) -D-глюкопираноза] содержится в прорастающих семенах, косточках абрикосов, пасоке деревьев. Она представляет собой основной структурный элемент целлюлозы, образуется при её ферментативном гидролизе под влиянием целлюлазы. Высшие животные не в состоянии усваивать целлюлозу, так как не обладают разлагающим её ферментом. Однако улитки, гусеницы и черви, содержащие ферменты целлобиазу и целлюлазу, способны расщеплять (и тем самым утилизовать) содержащие целлобиозу растительные остатки. Целлобиоза, как и лактоза, имеет 1,4-(3-гликозидную связь и является восстанавливающим дисахаридом, но в отличие от лактозы при полном гидролизе даёт только D-глюкозу.
Углеводы, содержащие в молекуле более 10 остатков мо- ноз, относятся к полисахаридам, называемым также полиозами, или гликанами. В зависимости от состава полисахариды разделяют на гомополисахариды (гомогликаны) и гетерополисахариды (гетерогликаны). Гомополисахариды - это полимеры, мономерной единицей которых является один и тот же моносахарид. Гликаны подразделяются на гексозаны, состоящие из остатков гексоз, и пентозаны, в состав которых входят остатки пентоз. Другим вариантом классификации гликанов является
увязывание названия гликана со строением моносахарида, из остатков которого этот гликан построен: глюканы (из глюкозы), маннаны (из маннозы), галактаны (из галактозы), арабаны (из арабинозы) и т.д. Гетерополисахариды состоят из различающихся по своему строению звеньев, причём наряду с монозами в молекулы гетерополисахаридов входят остатки модифицированных моносахаридов (D-глюкуроновая, D-галактуроновая, D-маннуроновая кислоты, D-глюкозамин, D-галактозамин, сиаловые и аминоуроновые кислоты).
Среди гомополисахаридов наиболее биологически важными полисахаридами являются крахмал, гликоген и целлюлоза, которые в живых системах служат резервными углеводами для питания (крахмал, гликоген) или углеводами, используемыми для построения остова клеточной ткани (целлюлоза).
Крахмал содержится в зёрнах, клубнях и корнях растений и представляет собой основное питательное вещество растений и одно из важнейших пищевых веществ для человека и животных. Особенно богаты крахмалом зёрна риса (- 80 %), пшеницы (- 70 %), кукурузы (~ 68 %) и клубни картофеля (~ 20 %). Во время прорастания семян крахмал при участии ферментов разлагается и используется как энергетический и строительный материал. В организм человека и животных крахмал попадает с пищей и затем разлагается в желудочно-кишечном тракте при участии ферментов до глюкозы, которая используется как источник энергии и частично превращается в гликоген печени и мышц.
Основной повторяющейся единицей, из которой синтезируется крахмал, являются остатки D-глюкозы, последовательно соединённые между собой а-(1,4)-гликозидными связями. Природный крахмал не является индивидуальным веществом: он состоит их двух фракций, отличающихся по своему строению и вследствие этого обладающих различной растворимостью в тёплой воде. Фракция, лучше растворимая в тёплой воде (20-25% крахмала), называется амилозой, нерастворимая часть крахмала (75-80%) известна как амилопектин.
Амилоза представляет собой поли-[4-(а-О-глюкопирано- зидо)]-О-глюкопиранозу с молекулярной массой около 60 000. Анализ методом светорассеяния и ультрацентрифугирования
показал, что длина цепи молекулы амилозы часто достигает 6000 моносахаридных звеньев:
Для молекул амилозы характерна нитевидная форма вследствие того, что a-D-глюкопиранозные остатки в амилозе могут иметь ваннообразные конформации:
Ваннообразные конформации способствуют спирализа- ции полиглюкозидной цепи. На один виток спирали приходится 6-7 остатков глюкозы; поскольку длина каждого остатка глюкозы составляет около 0,5 нм, образующаяся спираль имеет диаметр около 10 нм. Внутри этой спирали есть пустоты, в которые могут входить молекулы других веществ с образованием соединений включения. Такое соединение включения ами
лоза образует, например, с молекулами иода; оно окрашено в интенсивный синий цвет, поэтому реакция с иодом является качественной реакцией на крахмал. При ферментативном гидролизе а-амилазой, которая выделяется поджелудочной железой
и содержится в слюне, амилоза расщепляется на глюкозу и мальтозу; гидролиз начинается с невосстанавливающего конца
амилозы и осуществляется последовательным отщеплением молекул мальтозы.
Амилопектин, составляющий основную массу крахмала, плохо растворим в холодной воде, образуя в воде коллоидные или мицеллярные растворы. Отличительной особенностью амилопектина является наличие разветвлений в полисахаридных цепях. Помимо а-( 1,4)-глюкозидных связей, обеспечивающих построение нитевидной цепи в 24-30 остатков глюкозы,
между нитями возникают а-(1,б)-глюкозидные связи; 1,3-глю- козидные связи крайне редки (0,05-1 %):
Расстояние между точками ветвления составляет 18-27 остатков глюкозы, причём в крахмале, в отличие от гликогена (см. далее), таких разветвлений относительно немного. Молекулы амилопектина имеют сферическую форму с радиусом вращения 82-255 нм и молекулярной массой от 100 тыс. до нескольких миллионов. Взаимодействие с иодом приводит к образованию красно-фиолетовых растворов, позволяющих отличить фракцию амилопектина от фракции амилозы. При ферментативном гидролизе амилопектина ос-амилазами образуется остаточный декстрин, причина образования которого состоит в том, что амилазы являются ос-(1,4) глюкозидазами и не расщепляют 1,6-гликозидные связи. Остаточный декстрин представляет собой крупный, сильно разветвлённый остов полисахарида. При его дальнейшем распаде образуется изомальтоза - 6-(а-О-глюкопиранозидо)-О-глюкопираноза - превращение которой в глюкозу требует применения специфической а-1,6- глюкозидазы. Декстрины могут быть получены также при обработке крахмала 10%-ным водным раствором серной кислоты (так называемая "декстринизация крахмала"). Водные растворы декстринов окрашиваются иодом в красный цвет.
Следует отличать декстрины от декстранов — полисахаридов, продуцируемых некоторыми видами бактерий. Декстраны также состоят из остатков D-глюкозы; их цепи образованы в основном <х-(1,6)-глюкозидными связями и соединены между собой а-(1,4)-глюкозидными мостиками. Молекулярная
масса декстранов превышает таковую амилопектина и составляет от 10 млн до 1 млрд. Степень полимеризации и разветвления декстранов колеблется в зависимости от вида продуцирующего их микроорганизма; сырьём для биосинтеза декстранов служит сахароза. Растворы декстранов имеют коллоидное состояние; вязкость этих растворов близка к вязкости крови, поэтому декстраны и продукты их частичной деградации ультразвуком (полиглюкин) используют в медицинской практике в качестве заменителей плазмы крови при больших кровопотерях. На основе декстранов производят молекулярные сита - сефадсксы -, широко применяемые в фармацевтической промышленности для разделения смесей веществ и очистки.
Гликоген, называемый также животным крахмалом и содержащийся в печени, мускульной ткани и в особенно больших количествах в моллюсках, является двойником крахмала в животном мире и играет роль депо питательных веществ и запасного углевода животных тканей. В незначительных количествах гликоген содержится также в грибах и дрожжах. Гликогеноподобные полисахариды встречаются также в зёрнах злаков и в бактериях. Молекулярная масса гликогена составляет от 400 тыс. до 4 млн (по другим источникам от 270 тыс. до 100 млн); даже в одном препарате гликогена наблюдается широкий разброс по размерам молекул. Так, гликоген растворяется в горячей воде, образуя коллоидный раствор, дающий с иодом жёлто-красную окраску; однако гликоген, извлекаемый из животных клеток, имеет частицы гораздо меньшего размера, а его легко образующаяся дисперсия в воде окрашивается иодом в красно-фиолетовый цвет (подобно амилопектину). При кислотном гидролизе гликоген превращается в D-глюкозу, так как является полисахаридом, образованным за счёт ос-(1,3)-, а- (1,4)- и а-(1,6)-глюкозидных связей, причем 1,6-связи возникают и в ветвях гликогена. Из-за большей степени разветвлённости молекулы гликогена имеют более плотную, более компактную форму, чем молекулы амилопектина. Как и амилопектин, гликоген гидролизуется ос-амилазами до мальтозы и изомальтозы; 1,6-связи гликогена расщепляются бактериальным ферментом пуллуланазой.
Целлюлоза, или клетчатка, является наиболее распростра- 101’
нённым органическим соединением. Она представляет собой основной структурный полисахарид клеточных стенок растений, который обусловливает их прочность и эластичность. В листьях содержание целлюлозы достигает 30, в древесине - до 70, в волокнах льна и джута - 80 и 60-70, соответственно, а в волосках семян хлопка - до 90 %. Целлюлоза обнаружена в некоторых водорослях, она продуцируется и некоторыми видами бактерий. Чистая целлюлоза является белым волокнистым веществом, нерастворимым в воде, эфире или спирте. Такая устойчивость по отношению к растворителям объясняется уникальной структурой целлолозы. Этот полисахарид состоит из остатков D-глюкозы, связанных только р-(1,4)-глюкозидной связью; молекулы целлюлозы нитевидны и не имеют никаких разветвлений: остатки D-глюкозы в целлюлозе находятся в креслообразной конформации, что исключает возможность спирализации поли глюкозидной цепи и предопределяет её строго линейное строение:
п
Молекулярная масса целлюлозы составляет 50 400 тыс., что соответствует 300-2500 остаткам глюкозы на одну молекулу. Определение длины молекулы целлюлозы физическими методами даёт величину 10000 остатков. Нити целлюлозы образуют микрофибриллы благодаря внутри- и межмолекулярным водородным связям; микрофибриллы собраны в волокна, ось каждого из которых расположена под углом к осям микрофибрилл, а каждая молекула лежит вдоль оси микрофибриллы. Такая высокоупорядоченная структура, подтверждённая данными рентгеноструктурного анализа, и обусловливает необычайную прочность и упругость целлюлозы, равно как и отсутствие растворимости в большинстве применяемых растворителей. Любопытно, что целлюлоза растворяется в реактиве, приготовленном смешением Си(ОН)2 с концентрированным водным раствором аммиака (реактиве Швейцера), а также в
солянокислом растворе ZnCb при нагревании или в концентрированной серной кислоте, т.е. в тех средах, состав которых обусловливает возможность разрыва водородных связей в молекулах целлюлозы и образование новых связей с растворителем. Благодаря наличию свободных спиртовых гидроксильных групп целлюлоза способна реагировать со спиртами и кислотами с образованием эфиров:
Целлюлоза + HNO3 -э нитрат целлюлозы;
Целлюлоза + СН3СООН + (СН3СО)2О -> ацетат целлюлозы.
Волокна целлюлозы можно модифицировать введением в её молекулу карбоксиметильных групп -СН2СООН или диэтил- аминоэтильных групп -С2Н4К(С2Н5)2; в результате получают карбоксиметилцеллюлозу (КМ-целлюлозу, или КМЦ) и диэтиламиноэтилцеллюлозу (ДЭАЭ-целлюлозу), соответственно. Эти производные широко применяют в хроматографии для разделения аминокислот, белков, нуклеиновых кислот в качестве катионо- и анионообменных носителей. При полном гидролизе целлюлозы в присутствии концентрированных кислот образуется D-глюкоза; такой гидролизат используется для получения технического этилового спирта, для выращивания кормовых дрожжей и приготовления некоторых медицинских препаратов. Неполный гидролиз целлюлозы приводит к целлобиозе.
Как можно увидеть из рассмотрения строения амилопектина, декстранов и гликогена, для гомополисахаридов, имеющих более одного типа гликозидных связей, характерна определённая последовательность расположения гликозидных связей: наличие в точках ветвления цепи связей одного и того же типа (например ос-(1,6)-связей). Гетерополисахариды имеют более сложное строение, но и они обычно построены по определённому плану. Гетерогликаны, состоящие из двух типов моносахаридных единиц, можно разделить на две группы: в первой моносахариды обоих типов располагаются в одной и той же цепи (структура А), а во второй монозные остатки одного типа образуют основную цепь, к которой идентичными гликозидными связями присоединены остатки моносахарида другого
типа (структура Б). Если же гетерополиоза пости "роема из бод чем двух типов остатков, то обычно осуществля^^ется структу В. в главной цепи находятся преимущественно гс^ексозы и гек- роновые кислоты, а в ответвлениях - главным обр*разом некто
Ещё в конце прошлого века было установлО'ено,Ещё в конце прошлого века было установлО'ено,что гете
Ещё в конце прошлого века было установлО'ено,
Ещё в конце прошлого века было установлО'ено,
рогликаны могут иметь в своём составе не толькою остатки мо носахаридов. Очень большое число жизненно виражных биопо
Схема строения протеогликана: А - полипептидная це>.спь> нейная регулярная полисахаридная цепь, содержащая ЧСр6 .з-дез еся остатки гексуроновых кислот (или гексоз) и 2*^-^мино " оксигексозСхема строения протеогликана: А - полипептидная це>.спь> нейная регулярная полисахаридная цепь, содержащая ЧСр6 .з-дез еся остатки гексуроновых кислот (или гексоз) и 2*^-^мино " оксигексозлимеров содержат как углеводные, так и белковъ*ж<ые цепи, причём эти два типа цепей связаны в биополимер куковалентным и связями. Такие биополимеры подразделяют на пЦ ротеогликаны и гликопротеины. К протеогликанам относят пол иимеры, в которых основная цепь молекулы является бел котовой; к ней с определённым "шагом” присоединены линейные це=авпи, содержащие регулярно повторяющиеся моносахариды.
Схема строения протеогликана: А - полипептидная це>.спь> нейная регулярная полисахаридная цепь, содержащая ЧСр6 .з-дез еся остатки гексуроновых кислот (или гексоз) и 2*^-^мино " оксигексоз
Схема строения протеогликана: А - полипептидная це>.спь> нейная регулярная полисахаридная цепь, содержащая ЧСр6 .з-дез еся остатки гексуроновых кислот (или гексоз) и 2*^-^мино " оксигексоз
В числе моносахаридов могут быть и кислые (D-глюкуроновая и L-идуроновая кислоты), и монозы с основными группами (2-амино-2-дезокси-D-галактоза и 2-амино-2-дезокси-D-гл ю- коза), причём остатки аминомоноз могут быть N-ацетили- рованы и иногда N-сульфированы, а остатки гликуроновых кислот нередко О-сульфированьк Поэтому полисахаридные цепи проявляют кислотные свойства, а крупные молекулы таких протеогликанов (систематическая номенклатура обозначает их как гликозаминогликаны) обладают зарядами.
Гликопротеины в качестве основной части макромолекулы также имеют белковую цепь (из 300 и более аминокислотных остатков). К этой цепи ковалентно присоединены боковые углеводные цепи, являющиеся остатками разветвлённых гетероолигосахаридов. В составе последних встречаются как нейтральные монозы (D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза, L-фукоза), так и аминосахара (2-амино-2-дезокси-О-глюкоза, 2-амино-2- дезокси-О-галактоза), и кислые моносахариды (5-амино-3,5- дидезокси-О-глицеро-О-галакто-2-нонулозоновая кислота).Ос- татки аминоуглеводов могут быть N-ацетилированы, а остатки карбоксиуглеводов - N-гликозилированы и иногда О-ацетили- рованы, что делает олигосахарид слабокислым. Как видно из сказанного, гликопротеины отличаются от протеогликанов числом углеводных звеньев на единицу длины (или молекулярной массы) главной белковой цепи: в гликопротеинах преобладает белок, а в протеогликанах - углеводы. Если белок и углеводы связаны нековалентными связями, применяют термин "углевод-белковый комплекс".
Наиболее распространенными в природе гетерополисахаридами являются гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты и гепарин.
Гиалуроновая кислота наряду со структурной функцией участвует в регуляции распределения жизненно важных веществ тканей. Она содержится в хрящах, сухожилиях, суставной жидкости, стекловидном теле глаза, пуповине и является не только смазкой и амортизатором в суставах конечностей, но, будучи протеогликаном, благодаря большому размеру молекул и наличию в них заряда, может функционировать в качестве полупроницаемой мембраны для удаления чужеродных 105
веществ из организма. Кроме того, предполагают, что гиалуроновая кислота связывает воду в межклеточных пространствах и удерживает клетку в коллоидном матриксе. Гиалуроновая кислота является простейшим по строению представителем гликозаминогликанов: её повторяющееся звено состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и 2-ацетамидо-2-дезокси-О- глюкозы, связанных р-(1,3) связью. Дисахаридные элементы связаны между собой в цепь р-(1,4)-глюкозидными связями:
Молекулярная масса гиалуроновой кислоты составляет от 2 до 7 млн., поэтому её водные растворы имеют высокую вязкость. Чистые препараты гиалуроновой кислоты характеризуются сравнительно низкими значениями молекулярных весов (от 270 до 500 тыс.), что свидетельствует о существовании гиалуроновой кислоты в организме в комплексе с белками. При выделении гиалуроновой кислоты экстракцией щелочами, фенолом или трихлоруксусной кислотой связи гиалуроновой кислоты с белковой цепью разрушаются; полученная таким образом кислота при полном гидролизе даёт только глюкоз- амин, глюкуроновую и уксусную кислоты. При pH = 7 карбоксильные группы гиалуроновой кислоты полностью ионизованы, несут отрицательный заряд и эффективно сольватируются молекулами воды с образованием желеобразной субстанции. Под влиянием фермента гиалуронидазы гиалуроновая кислота расщепляется, что приводит к распаду содержащей её соединительной ткани; этот механизм лежит в основе проникновения в организм микроорганизмов и оплодотворения яйцеклеток человека и животных.
Хондроитинсульфаты представляют собой О-сульфирован- ные в положениях 4 или 6 производные хондроитина^ который также является природным гликозаминогликаном и изомерен гиалуроновой кислоте. Хондроитинсульфаты входят в состав хрящей, костной ткани и сухожилий в виде комплексов с белком коллагеном или с липидами. Повторяющейся единицей 106
цепей хондроитинсульфатов служит дисахарид хондрозин; остатки хондрозина соединены в полимерную молекулу р-(1,4)- гликозидными связями. Хондрозин состоит из остатка D-глюкуроновой кислоты, присоединённого р-(1,3)-глюкозидной связью к остатку 2-ацетамидо-2-дезокси-В-галактозы; таким образом, единственное отличие хондроитинов от гиалуроновой кислоты заключается в ориентации гидроксильной группы при С4 в каждом втором остатке полисахаридной цепи:
В хондроитинсульфатах гидроксильные группы при С4 (хонд- роитин-4-сульфат, или хондроитинсульфат А) или при С6 (хондроитин-6-сульфат, или хондроитинсульфат С) этерифи- цированы серной кислотой; как правило, на каждое дисаха- ридное звено приходится только одна сульфатная группа:
OSO3H
СООН о L^^^O
НО^^бнNHCOCH3
Хондроитинсульфат А
Единственным "сверх-сульфатированным” хондроитинсульфатом является так называемый хондроитинсульфат D, выделенный из хрящевой ткани акулы, в котором сульфатированы ОН-группы и при С4, и при С6. В группу хондроитинсульфатов входит также хондроитинсульфат В, назывемый также дерматансульфатом. Гликозаминогликан дерматан изомерен как гиалуроновой кислоте, так и хондротину, так как в его состав вместо D-глюкуроновой кислоты входят остатки L-идуро- новой кислоты, т.с. повторяющееся звено дерматана отличается от повторяющегося звена хондроитина конфигурацией группы СООН при С5 в каждом втором моносахаридном звене. Молекулярная масса хондроитинсульфатов составляет 10-60 тыс. (по другим данным 50-100 тыс.). Регулярные цепи хондроитинсульфатов ковалентно связаны p-D-ксилозидной связью с ОН-группами остатков серина, имеющихся в полипеп- тидном остове, через трисахарид галактозил-(р-1,3)-галакто- зил-(0-1,4)-ксилозу.
Хондроитинсулъфаты вместе с гиалуроновой кислотой образуют протеогликановые комплексы (агрегаты): центральной частью агрегата является гиалуроновая кислота, вдоль которой через каждые 30-50 нм (10 остатков моноз) перпендикулярно основной цепи располагаются хондроитиновые протеогликановые субъединицы. Комплексы имеют анионный характер и поэтому связывают ионы Са2+, Na+ и К+, участвуя в солевом обмене.
Гепарин является гетерополисахаридом, препятствующим свёртыванию крови человека и животных (антикоагулянтом). Он обнаруживается на поверхности многих клеток, хотя и служит внутриклеточным компонентом тучных клеток. Особенно велико содержание гепарина в печени (до 100 мг на 1 кг ткани), лёгких, сердце, селезёнке, щитовидной железе и крови. Гепарин выделен в кристаллическом состоянии и широко используется для увеличения сохранности крови доноров и в тромболитическом лечении. Молекула гепарина содержит два повторяющихся дисахаридных звена. Первое включает О-суль- фированную в 2-м положении L-идуроновую кислоту и 2-де- зокси-2-сульфамидо-О-глюкозо-6-сульфат (дисахаридный остаток А), а второе построено из D-глюкуроновой кислоты и 2- 108
дезокси-2-сульфамидо-В-глюкозо-6-сульфата (дисахарид Б). Моносахаридные звенья гепарина, таким образом, аналогичны звеньям гиалуроновой кислоты и дерматансульфата, однако эти звенья связаны между собой а-гликозидной связью:
Повторяющиеся звенья в молекуле гепарина содержат по 2-3 сульфогруппы. Некоторая часть остатков глюкозамина содержит не N-сульфатные, a N-ацетильные группы. Олигосахарид- ная часть гепарина связана с белковой цепью так же, как и у хондроитинсульфатов — через остатки ксилозы и серина.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты могут быть разделены на два класса: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). И те, и другие являются линейными полимерами нуклеотидов, состоящих из пуриновых или пиримидиновых оснований (нуклеиновых оснований), углевода и фосфата.
Нуклеиновые основания
Основной материал, касающий пиримидиновых и пуриновых оснований, изложен на с. 32-33. В дополнение к ранее сказанному следует упомянуть о более редко встречающемся
5-метилцитозине, для которого, как и для всех нуклеиновых оснований, характерны лактим-лактамная таутомерия и преобладание лактамной формы при нейтральных и кислых значениях pH:
ЛактамЛактам
Лактам
Лактам
5-Метилцитозии (5-метил-4-амино-2-оксишфимидин)
Нуклеозиды
Нуклеозидами называются компоненты нуклеиновых кислот, относящиеся по своей природе к N-гликозидам (см. с. 93-94). Агликонами этих гликозидов являются пять основных нуклеиновых оснований; аденин, гуанин, тимин, урацил и цитозин. В качестве моносахаридного остатка в состав нуклеозидов (аденозина, гуанозина, тимидина, уридина и цитидина) входят остатки только одной пентозы - рибозы, либо в её неизменённом виде (в РНК), либо без гидроксильной группы при С2 (2-дезоксирибоза в ДНК). При этом тимидин встречается в основном только в составе ДНК; название "тимидин" относится к p-(N1-тиминил)-D-2-дeзoкcиpибoфypaнoзидy. Если рассматривается гликозид, состоящий из тимина и рибозы (такой нуклеозид встречается в составе транспортной РНК), его называют "тиминрибонуклеозид' или "рибозилтимин". Названия "аденозин, гуанозин, уридин и цитидин" относятся только к рибозидам; для обозначения 2-дезоксирибозидов перед каждым названием вводят приставку "дезокси" (дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксиуридин и дезоксицитидин). При записях структур ДНК и РНК нуклеозиды обозначают латинской буквой, соответствующей первой букве их названия: аденозин - А, гуанозин - G, тимидин - С, уридин - U и цитидин - С.
В нуклеозидах р-гликозидная связь всегда образована с участием атома N1 пиримидиновых или N9 пуриновых оснований, причём в образовании такой связи может принимать участие только лактамная форма нуклеиновых оснований. Нумерация атомов в нуклеозидах для остатков нуклеиновых основа-
ний и остатков пентоз производится по-разному: остатки нуклеозидов нумеруют в соответствии с правилами нумерации пуринов или пиримидинов (с. 32-33), а атомы пентоз обозначают в соответствии с правилами нумерации моноз, но цифрой со штрихом:
Особенностью ДНК является эквивалентность количеств пуриновых оснований количествам пиримидиновых оснований, т.е. отношения аденин : тимин, гуанин : цитозин (+ ме- тилцитозин, если он имеется) всегда равны единице. Это соотношение объясняется тем, что пространственная структура ДНК создаётся за счёт образования водородных связей между остатками нуклеиновых оснований, причём аденин связывается только с тимином, а гуанин - только с цитозином:
|в паре основанииС1'А-Т|в паре основанииС1'А-Т
|в паре основании
С1'А-Т
|в паре основании
С1'А-Т
Наличие водородных связей подтверждено данными кислотнощелочного титрования ДНК и рентгеноструктурными исследованиями; последние показали множественность таких водородных связей. Парные основания получили название комплементарных. Комплементарность нуклеиновых оснований лежит в основе корреляции между структурой и функцией нуклеиновых кислот.
Вторым не менее важным фактором стабилизации пространственной структуры ДНК является штабелеобразная укладка (stacking, стэкинг) планарных квазиароматических пиримидиновых и пуриновых оснований, расположенных в молекуле ДНК одно над другим, которая приводит к возникновению цементирующих каркас молекулы гидрофоб-гидрофобных взаимодействий.
Нуклеотиды
Нуклеотиды представляют собой те самые мономерные звенья, содинсние которых в полимерную цепь приводит к молекулам нуклеиновой кислоты. При химическом или ферментативном гидролизе нуклеотидов образуются нуклеозиды и ор- тофосфорная кислота, из чего следует, что нуклеотиды являются эфирами нуклеозидов и фосфорной кислоты. Фосфорная кислота присоединена к одной из гидроксильных групп углеводного остатка; при этом монозамещённая фосфорная кислота сохраняет свои кислотные свойства, поэтому нуклеотиды являются сильными кислотами и называются, соответственно, адениловой, гуаниловой, тимидиловой, уридиловой и цитидиловой кислотами*.
З’-Тимидиловая кислота5*-Тимидиловая кислота
(тимидин-З'-фосфат)(тимидин-5*-фосфат)
Используются также названия нуклеотидов, построенные по схеме мнуклеозид-№-фосфат” , где "№" означает номер атома С в остатке пентозы, несущего фосфатную группу (аденозин-31- фосфат, дезоксиаденозин-З’-фосфат и т.п.). Фосфорилирование сахарного остатка возможно только по положениям С3’ и С5, так как атомы Сг и С4' включены в фуранозный цикл; хотя атом С2 у дезоксирибозы не имеет гидроксильной группы,
дезоксирибоза образует нуклеотиды так же, как и рибоза, имеющая группу ОН при С2, поэтому размещение фосфатной группы у атома С2* маловероятно. Оба типа фосфатов были выделены после гидролиза ДНК; поскольку большинство нуклеотидов являются моноэфирами, из называют мононуклеотидами. При щелочном гидролизе нуклеиновых кислот возможна изомеризация, сопряжённая с перемещением остатка фосфорной кислоты, поэтому при таком гидролизе получаются все изомерные мононуклеотиды; ферментативный гидролиз и ДНК, и РНК приводит только к 3’- и 5’-фосфатам.
Все клетки содержат свободную форму адениловой кислоты — аденозин-5'-фосфат, а также производные с полифосфат- ным остатком, которые образуются в организме при биологическом фосфорилировании — аденозин-5’-дифосфат (эфир пи- рофосфорной кислоты) и аденозин-У-трифосфат (эфир трипо- лифосфорной кислоты):
ОН ОНОН ОН
АденозиндифосфатАденозинтрифосфат
Широко распространены 5'-моно-, 5*-ди- и 5*-трифосфаты и других нуклеозидов; для облегчения использования названий этих соединений применяется специальная система обозначений, в которых употребляются сокращённые наименования нуклеозидов (см. с. НО) и обозначения MP, DP и ТР для моно-, ди- и трифосфата, соответственно. Для дезоксинуклеотидов перед обозначением нуклеотида ставится буква d:
аденозинмонофосфат (адениловая кислота) АМР
аденозиндифосфатADP
аденозинтрифосфатАТР
дезоксиаденозинмонофосфатdAMP и т.п.
Первым выделенным (ещё в 1847 году) мононуклеотидом была инозиновая кислота (9-р-5,-фосфо-Е)-рибозилгипоксан-
тин); это соединение явилось результатом дезаминирования АМР в процессе выделения. Позднее она была найдена в тканях, а также в некоторых нуклеиновых кислотах; доказано, что инозиновая кислота представляет собой первый пуриновый нуклеотид, образующийся в ходе биосинтеза АМР и GMP.
ОН ОНИнозиновая кислота (IMP)ОН ОНИнозиновая кислота (IMP)
ОН ОН
Инозиновая кислота (IMP)
ОН ОН
Инозиновая кислота (IMP)
Моно и дифосфаты являются кислыми соединениями, и их кислотная природа предопределяет использование ионообменной хроматографии для их выделения и разделения. Адсорбция смеси фосфатов на аниообменной смоле с последующей элюцией их возрастающей концентрацией кислоты или соли является стандартным приёмом для выделения и анализа нуклеотидов. Особенно удобны для этих целей модифицированные целлюлозы и декстраны, обеспечивающие наибольшую селективность. Нуклеотиды обладают сильным поглощением в ультрафиолетовой части спектра за счёт гетероциклических соединений, благодаря чему могут быть легко обнаружены в элюате и количественно оценены.
Диэфиры нуклеозидов могут иметь и иную структуру;
2',3’-сАМР2',3’-сАМР
2',3’-сАМР
2',3’-сАМР
Остаток ортофосфорной кислоты способен этерифицировать одновременно два спиртовых гидроксила пентозного остатка, давая циклические диэфиры, содержащие один атом фосфора на один нуклеотид - аденозин-3*,5*-циклофосфат (цикло-АМР,
сАМР) и гуанозин-3’,5*-циклофосфат (цикло-GMP, cGMP). Известны также циклические 2’,3’-монофосфаты, среди которых особенно важное физиологическое значение имеет адено- зин-2*,З’-монофосфат.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, в которых отдельные нуклеотиды связаны фосфодиэфир- ними мостиками, образующимися в результате этерификации гидроксильной группы при С3' одного полинуклеотида остатком фосфорной кислоты при С5* другого нуклеотида. Фосфо- диэфирная связь характерна и для РНК, и для ДНК, так как в её образовании не участвует атом С2, замещение которого отличает РНК и ДНК друг от друга. Доказательства наличия фосфоди эфирных мостиков получены при изучении результатов ферментативного гидролиза нуклеиновых кислот. Последовательный гидролиз нуклеиновых кислот панкреатической дезоксирибонуклеазой и фосфоди эстеразой змеиного яда приводит к образованию нуклеозид-5*-фосфатов. При гидролизе панкреатической дезоксирибонуклеазой в комбинации с фосфодиэстеразой селезенки получаются нуклеозид-З’-фосфаты. Изображение структуры нуклеиновых кислот привычными структурными формулами (формула а на приводимой далее схеме) оказывается слишком громоздким, поэтому для описания последовательностей нуклеиновых кислот можно использовать более краткие записи. В первом варианте (запись б на приводимой схеме) остатки пентоз изображаются горизонтальными линиями, на которых указаны условные положения всех атомов углерода пентозы, участвующих в образовании молекулы (Г, 3’ и 5*). На конце черты возле атома С1* указывают обозначение нуклеинового основания (на приведённой схеме тимин, аденин и гуанин), а атомы С3' и С5 соединяют через атом Р. Второй вариант обозначения (запись в) — буквенная система, в которой используются буквенные обозначения нуклеиновых оснований (A, G, Т, U, С), а фосфатная группа обозначается буквой "р"- Если она находится справа от обозначения нуклеинового основания, это означает, что этери- фицирована группа при С3*, а если слева — при С5*.
Описание последовательности нуклеиновой кислоты отображает её первичную структуру. Расположение длинной линейной полинуклеотидной цепи в пространстве отражается в её вторичной структуре. Вторичные структуры ДНК и РНК различны. Согласно модели Уотсона и Крика, в молекулах ДНК полинуклеотидная цепь спирализована в правую спираль с периодом идентичности 3,4 нм и расстоянием между плоскостями оснований 0,34 нм. Две цепи сплетены друг с другом в закрученную вокруг одной оси двойную спираль так, что на каждый виток спирали приходится 10 пар оснований; диаметр спирали равен 2,0 нм. Обе цепи удерживаются друг около
друга за счёт водородных связей между парами А-Т (аденином и тимином) и G-С (гуанином и цитозином), находящимися внутри двойной спирали. Расстояния между гликозидными связями, содиняюшими парные основания с сахарофосфатным остатком, одинаковы для каждой пары и равны 1,085 нм. Эти связи симметрично ориентированы относительно оси второго порядка, расположенной определённым образом по отношению к плоскости, в которой расположены плоские остатки парных нуклеиновых оснований. Комплементарность нуклеиновых оснований (см. с. 111) приводит к комплементарное™ цепей, т.е. образование двойной спирали становится возможным только тогда, когда каждому основанию в одной цепи противостоит комплементарное ему основание во второй цепи: >.
AGTCAAGTGGCCTCAGTTCACCGG-<
Направление цепей в двойной спирали по отношению к межнуклеотидным связям (фосфодиэфирным мостикам) взаимно противоположно, т.е. цепи антипараллельны. Если например, на приведённой выше формуле в верхней цепи фосфодиэфир- ные связи между А и G и далее принадлежат к типу 5'^3*, то в нижней цепи связи между основаниями Т и С, комплементарными основаниям А и G, принадлежат к типу 3’—>5*. Описанное выше строение ДНК установлено для так называемой В-формы ДНК, степень кристалличности которой была определена при влажности образца около 90 %. Считается, что такая форма характерна для ДНК, находящейся в растворе и in vivo. При снижении влажности препарата до 70 % В-форма переходит в более высококристаллическую A-форм^, в которой пары оснований повёрнуты на 20° от плоскости, перпендикулярной оси спирали; на один оборот спирали (период идентичности 2,8 нм) приходится 11 остатков нуклеотидов; ширина двойной правосторонней спирали составляет 2,2 нм. Переход от В-формы к А-форме укорачивает цепь примерно на 25 %. Ещё одна вторичная структура, в которой может существовать ДНК, называется С-формой\ в ней шаг спирали составляет 3,3 нм, а на каждом витке спирали располагается 9 пар оснований.
Вторичная структура РНК изучена менее подробно, чем структура ДНК. Большинство видов клеток содержат три принципиально различных типа РНК. Они различаются последовательностью нуклеотидных звеньев, длиной цепи и пространственной организацией. Основная масса РНК клетки представлена рибосомальной РНК (рРНК), представляющей собой ковалентно связанные линейные одноцепочечные молекулы. Рибосомальные РНК отличаются у различных видов по длине цепи и первичной последовательности, но общие принципы построения макромолекулы у них одинаковы. Второй тип РНК — транспортные РНК (тРНК); эти кислоты составляют 10-15 % от общей массы клеточных РНК и содержатся в цитоплазме клетки. В клетке млекопитающих может содержаться до 100 млн молекул тРНК примерно пятидесяти различных типов; длина каждой из них составляет от 73 до 85 нуклеотидных звеньев. Третий тип РНК — информационная РНК (или матричная РНК, мРНК), которая переносит информацию к месту синтеза белков. мРНК составляет только 3-5 % от общего количества РНК в клетке, содержит примерно 1000 нуклеотидов, гетерогенна по размеру и очень быстро распадается в организме (период полураспада от 1 мин у бактерий до 0,5 дня в опухолевых клетках человека). Помимо перечисленных типов РНК во всех клетках животных существует много малых РНК, функциональные роли которых ещё не до конца выяснены.
Однонитевые макромолекулы всех типов РНК свёрнуты в клубки, отдельные участки которых могуч быть спирализованы в двойную спираль за счёт спаривания азотистых оснований в этих участках. Чем больше ионная сила раствора, в котором находится РНК, тем больше доля спирализованных участков. В образовании таких спирализованных структур, чередующихся с аморфными участками, принимают участие от 40 до 70 % всех нуклеотидов РНК. Наибольший процент спирализации обнаружен у тРНК. При нагревании растворов РНК наблюдается переход "спираль - клубок" (так называемое молекулярное плавление). Особенностью молекул РНК является наличие в её цепях "необычных нуклеотидов": псевдоуридина (см. с. 93)
и дигидроуридина, метилированных адениловой, гуаниловой и цитидиловой кислот и др.
Вторичная структура и ДНК, и РНК в значительной степени определяется водородными связями между парами комплементарных азотистых оснований, поэтому любые воздействия, способные разрушать водородные связи, могут менять пространственную организацию нуклеиновых кислот. Полный или частичный разрыв водородных связей, ведущий к раскручиванию полинуклеотидных цепей нуклеиновой кислоты и их последующему разделению, называется денатурацией. Поскольку пара G-С несколько прочнее пары А-Т и образует более компактную структуру, нуклеиновые кислоты с более высоким содержанием G-С менее чувствительны к денатурации, которая происходит под действием тепла, при изменении pH (до 2-3 или до 12), понижении диэлектрической проницаемости среды, в присутствии спиртов, высоких концентраций мочевины, амидов и т.п. При контакте с положительно заряженными молекулами происходит внедрение катионов между стопками пар оснований за счёт взаимодействия квазиарома- тичсских электронных облаков азотистых оснований с вакантными орбиталями катионов; в результате наблюдается раскручивание {интеркаляция) двойной спирали или суперспирали (суперскрученной конформации, которую принимают замкнутые в кольцо двухспиральные ДНК). Кроме того, такие соединения, как амиды (формамид, мочевина), увеличивая сольватацию ароматических ядер азотистых оснований молекулами воды, также способствуют разрыву водородных связей между основаниями. Денатурация нуклеиновых кислот может быть обратимым процессом; скорость ренатурации тем больше, чем меньше степень денатурации. Например, при полной денатурации ДНК нагреванием две комлементарные нити реассоциируют очень медленно (происходит так называемый "отжиг ДНК*) и только при медленном охлаждении раствора ДНК. При быстром охлаждении степень ренатурации невелика.
Нарушение вторичной структуры ДНК возникает и под действием ультрафиолетовой радиации, которая вызывает образование ковалентных связей между двумя пиримидиновыми основаниями, находящимися в одной и той же цепи (в приво-
димой далее формуле эти связи показаны более длинной, чем валентные штрихи, линией).
Образование таких димеров подавляет функционирование ДНК. Восстановить функции ДНК в живых клетках удаётся только под действием специальных репарационных ферментов.
Липиды
Липиды не являются однородным классом веществ. Эта группа природных соединений включает в себя достаточно разнообразные по химическому строению соединения. Общим свойством, позволившим на ранних этапах исследования объединить эти соединения в единую группу, явилась их растворимость: липиды не растворялись в воде, но, проявляя гидрофобные свойства, растворялись в спирте, эфире, хлороформе, бензоле или петролейном эфире, поэтому под липидами подразумевали материал, извлекаемый из животной или растительной ткани обработкой её органическими растворителями. Разнообразие химического строения чрезвычайно осложняет классификацию липидов, вследствие чего единая строгая система классификации отсутствует. Липиды можно разделить на две группы, различающиеся отношением к щелочному гидролизу ^омылению\ Те липиды, которые легко расщепляются в щелочных условиях, называют омыляемыми липидами', липиды, устойчивые к действию щелочей, относят к неомыляемым липидам.
Если в основу классификации положить полярность молекул липидов, их можно разделить на две группы:
нейтральные липиды (триглицериды, алкилдиацилгли- церины, нейтральные плазмалогены, простые и сложные эфиры холестерина, диольные липиды, гликолипиды, сфинголипиды);
полярные липиды (фосфолипиды).
Если с целью классификации попытаться соотнести липид с его характеристическим структурным признаком, то липиды можно классифицировать и таким образом:
жирные кислоты;
глицеринсодержащие липиды:
моно-; ди- и триэфиры глицерина;
простые эфиры глицерина;
гликозилглицерины;
липиды, не содержащие глицерин: а) сфинголипиды:
церамиды,
сфингомиелины,
гликосфинголипиды,
алифатические спирты и воска;
терпены;
стероиды;
липиды, связанные с веществами других классов:
липопротеиды;
протсолипиды;
фосфатидопептиды;
липоаминокислоты;
липополисахариды.
Кроме того, существует разделение липидов на простые и сложные. К простым липидам относят соединения, которые можно расщепить на два соединения; сложными считают липиды, распадающиеся при расщеплении на более, чем два вещества.
L Омыляемые липиды
К этой группе принадлежат жиры и воска, относимые также к простым или нейтральным липидам, а также фосфолипи-
ды, сфинголипиды и гликолипиды, считающиеся сложными липидами (а также полярными и неполярными липидами или липидами, не содержащими глицерин и связанными с веществами других классов).
Воска являются наиболее просто построенными липидами. Эти вещества, как правило, предназначены природой для предохранения тканей от высыхания. Кроме того, воска являются главным липидным компонентом многих видов морского планктона. С химической точки зрения воска представляют собой сложные эфиры высших монокарбоновых кислот с не- разветвлённой цепью (высших жирных кислот) и высших одноатомных спиртов также с неразветвлённой цепью. В их состав входят остатки кислот, содержащих, как правило, чётное число атомов углерода: пальмитиновая (С^), стеариновая (С(з); кислоты как с меньшим (С|2 и С14), так и с большим (до C2g) числом атомов встречаются лишь в небольших количествах. При этом в состав восков входят только насыщенные кислоты. Спирты в составе восков тоже отличаются большой длиной цепи и чётным числом атомов углерода; в восках найдены эфиры следующих спиртов: цетилового (С16НззОН), стеарило- вого (С18Н37ОН), церилового (С2бН53ОН), мирицилового (С30Н61ОН):
Название
Источник
>ОС1бНзз
С15НЗГС^
Цетилпальмитат
Спермацет
с HW^00^61
Мирицилпальмитат
Пчелиный воск
г и^С”Нб1
Мирицилгексаэйкозоат
Карнаубский
воск
При гидролизе в присутствии щелочей эфиры превращаются в смесь спиртов и солей высших монокарбоновых кислот; эти соли известны под названием "мыло" (это название и стало причиной появления термина "омыление" для реакции щелочного гидролиза):
R-C(O)-OR' + NaOH -> R C(=O)-ONa + R'-OH.
Количество KOH (мг), необходимое для омыления 1 г липида, называется числом омыления и служит одной из количественных характеристик липида.
Жиры, как и воска, тоже являются сложными эфирами высших монокарбоновых кислот, однако в качестве спиртового остатка у всех жиров присутствует глицерин; поэтому жиры относят к триглицеридам или к глицеринсодержащим липидам.
СН2~О—C(=O)~R CH-O-C(=O)-R’ CH2-O-C(=O)-R"
Моно- и диэфиры глицерина встречаются в природе лишь как продукты, образующиеся в процессе обмена веществ; основная масса жиров содержит полностью ацилированный глицерин. Жиры служат питательным резервом для различных организмов и имеют большое значение как концентрированный высококалорийный продукт питания для человека. Разнообразие жиров определяется разнообразием остатков карбоновых кислот, входящих в триглицериды.
Биосинтез жиров в природе происходит по механизмам, предопределяющим наличие в жирах остатков кислот с нераз- ветвлённым скелетом и чётным числом атомов углерода (от четырёх до двадцати четырёх):
Насыщенные кислоты
Ненасыщенные кислоты_
Лауриновая (С 12)
Миристиновая (С14)
Пальмитиновая (С^)
Стеариновая (С^)
Олеиновая (С^; цмс-9,10)
Элаидиновая (Су& транс-9,10)
Линолевая (С^; 9,10,12,13-диеновая) Линоленовая (С^; 9,10; 12,13; 15Д6-трИт еновая)
Если R^R’R", триглицерид называют простым-, если же R^RVR", триглицерид является сложным. Остатки кислот могут быть как насыщенными (твёрдые жиры), так и ненасыщен-
ными (жидкие жиры, или растительные масла). Наиболее часто в триглицеридах встречаются кислоты, перечисленные в приведённой выше таблице.
Степень ненасыщенности триглицеридов отражается в количественной характеристике, называемой иодным числом. которое равно количеству иода (в граммах), присоединяющемуся к 100 г жира. Ненасыщенные цепи растительных масел можно насытить каталитическим присоединением водорода (этот процесс называется гидрогенизацией жиров);
Растительное масло (соевое, арахисовое, хлопковое и т.п.)Растительное масло (соевое, арахисовое, хлопковое и т.п.)H2/Ni,Cu3-10 атм., 170 - 180°H2/Ni,Cu3-10 атм., 170 - 180°Жир (маргарин).Жир (маргарин).
Растительное масло (соевое, арахисовое, хлопковое и т.п.)
Растительное масло (соевое, арахисовое, хлопковое и т.п.)
H2/Ni,Cu
3-10 атм., 170 - 180°
H2/Ni,Cu
3-10 атм., 170 - 180°
Жир (маргарин).
Жир (маргарин).
Наличие двойных связей обусловливает протекание под влиянием кислорода воздуха таких процессов, как прогоркание жиров, увеличение кислотного числа (количества миллиграммов КОН, расходуемого на нейтрализацию 1 г жира) из-за гидролиза жиров, а также высыхание жиров вследствие образования ковалентных связей между атомами углерода, принадлежащими разным молекулам, и возникновения благодаря этому поперечных сшивок между цепями заместителей R, R’ и R".
Стереохимия липидов связана с наличием в триглицеридах трёх различных ацилирующих остатков, ибо сама молекула глицерина ахиральна. Средний атом в молекуле глицерина связан с двумя одинаковыми заместителями -СН2ОН. Такой атом называют псевдоасимметрическим, или мезо-атомом, поскольку ацилирование даже одного из двух первичных гидроксилов делает 1-аиилглицерин хиральным.
ННСН2ОНL—онСН2ОНL—онЭнантиомерыЭнантиомеры22ноноааоо^СН2 6 о^СН2 6 оносн2носн2—н—н3сн23сн2ононв сн2онв сн2онПоворот в плоскости чертежа на 180°, не меняющий конфигурацию хирального центраПоворот в плоскости чертежа на 180°, не меняющий конфигурацию хирального центра
Н
Н
СН2ОН
L—он
СН2ОН
L—он
Энантиомеры
Энантиомеры
2
2
но
но
а
а
о
о
^СН2 6 о
^СН2 6 о
носн2
носн2
—н
—н
3
сн2
3
сн2
он
он
в сн2он
в сн2он
Поворот в плоскости чертежа на 180°, не меняющий конфигурацию хирального центра
Поворот в плоскости чертежа на 180°, не меняющий конфигурацию хирального центра
При этом глицерины, монозамещённые по положениям 1 и 3
СН2ОНСН2ОНононsn-1 -Моноацилглицеринsn-1 -Моноацилглицеринодинаковым ацильным остатком, энантиомерны: для 3-ацил- глицерина изомер в идентичен изомеру б, являющемуся оптическим антиподом изомера а, так как получен поворотом проекции Фишера с соблюдением правил (см. [8, раздел 1.3.}); однако изомер в является в то же время 1-ацилглицерином, ибо до ацилирования атомы С* и С3 глицерина были неразличимы. Эта особенность послужила основанием для поиска рациональной номенклатуры триглицеридов. Система Кана- Ингольда-Прелога в применении к триглицеридам (и прочим производным глицерина, относимым к липидам) имеет серьёзный недостаток: при изменении природы заместителей инвер- сируется их старшинство, хотя конфигурация асимметрического атома остаётся неизменной. Например, фосфорилирование (8)-1,2-ди-О-ацилглицерина приводит к (К)-фосфатидной кислоте в связи с изменением старшинства заместителей. В настоящее время используется введённая в 1968 г. систематическая номенклатура, основанная на стереоспецифической нумерации, предложенной Хиршманом. Согласно этой системе, нумерация замещённых глицеринов производится следующим образом: если в проекции Фишера гидроксильная группа при С2 расположена слева, то углеродному атому, находящемуся над С2, присваивается номер 1, а нижнему атому - 3. Использование стереоспецифической нумерации обозначается символом sn (stereospecific numbering):
СН2ОН
СН2ОН
он
он
sn-1 -Моноацилглицерин
sn-1 -Моноацилглицерин
НОСН2:
но— —НI
r—с—о—сн2!
о 3' 1
sn-3-Моноацилглицерин
Очевидно, что sn-1-моноацилглицерин и sn-3-моноацилглице- рин являются антиподами. Следует иметь в виду, что все природные фосфоглицеролипиды являются производными sn-гли- церо-3-фосфата. В случае рацемических соединений используется префикс гас.
Фосфолипиды (или фосфоглицериды, или фосфатиды) широко распространены в растениях, животных и микроорганизмах. Они содержатся во всех тканях и клетках организма; особенно много их в клетках нервной ткани. Эти соединения рассматриваются как производные L-фосфатидной кислоты (sn- глицеро-3-фосфата) и относятся к сложным липидам, поскольку в их молекулы входят остатки нс только глицерина и карбоновых кислот, но также и остатки фосфорной кислоты и соединений, содержащих одновременно как аминогруппу, так и спиртовый ОН. При полном гидролизе 1 моля фосфатидов образуются 2 моля жирной кислоты и по 1 молю глицерина, фосфорной кислоты и аминосодержащего соединения. В зависимости от строения спирта фосфоглицериды делятся на фос- фатидилхолины (или лецитины, 40-50 % общего количества фосфолипидов), фосфатидил этанол амины (или кефалины, 30- 40 % общего количества) и фосфатидилсерины:
H.C^COR'
RCOO - Н
з
Н2С
о-р —О—CH2CH2N(CH3)3о®
RCOO
Н2сЦмЖ
I—~н
3
L-Фосфатидилхолин
RCOO-
?
е
L-Фосфатвдилэтаноламин
Н2сЦ)С(Ж’
।——н
3
Н2С
©
L-Фосфатидилсерин
Эти три группы соединений содержат в качестве аминоспиртов, этерифицирующих фосфатидную кислоту, холин (2- N,N,N-тpимeтилaминoэтaнoл), этаноламин (2-аминоэтанол) и серин (2-амино-З-оксипропановую кислоту) соответственно.
У большинства природных фосфоглицеридов остатки насыщенных жирных кислот (С16-С18) находятся обычно в заместителе при С1, а гидроксил в положении С2 этерифици рован, как правило, ненасыщенными жирными кислотами, содержащими от одной до четырёх двойных связей.
При физиологических значениях pH фосфоглицериды являются биполярными ионами и существуют обычно в виде цвиттер-ионов, изображённых выше. Вследствие этого ионизованные группировки фосфатидов образуют высокополярную гидрофильную часть молекулы, в то время как заместители R и R' в остатках жирных кислот создают её гидрофобную часть. Кислотно-основные свойства серина и этаноламина характеризуются следующими значениями рКа: серин 9,15 (аминогруппа), 2,25 (карбоксильная группа); этаноламин 9,5 (аминогруппа). Холин является таким же сильным основанием, как КОН, и полностью диссоциирует в воде с образованием катиона холина и гидроксил-аниона:
НС)СН2С112Х(СН.)зОН > НОСН2С^^ + НО .
Соли холина и сильных кислот являются нейтральными соединениями. Соединения такого типа, как известно, амфифильны (греч. amphi - оба, phyle - сродство), т.е. обладают сродством и к гидрофобным, и к гидрофильным средам. Именно эта особенность делает триглицериды (и прочие липиды тоже) основными структурными компонентами различных биологических мембран.
Фосфатидилэтаноламины образуются в организме из фос- фатидилсеринов при их декарбоксилировании и, в свою очередь, могут превращаться в фосфатидилхолины в результате процессов переметилирования.
Сфинголипиды не принадлежат к липидам группы триглицеридов, хотя в их составе также имеется остаток аминоспирта - сфингозина (реже - дигидро- или дегидросфингозинов):
18 4 3
СН3— (СН2)12—сн=сн—срюн
Н—(p-NH2 хнрн
Любопытно, что структура сфингозина сильно напоминает структуру глицерина, хотя известно, что сфингозины образуются в организме из серина и тиоэфиров высших жирных кислот. В молекуле сфингозина имеются два асимметрических атома углерода и дизамещённая двойная связь. Поэтому такой структуре могут отвечать две пары энантиомеров, причём для каждой пары возможно существование ещё и цис-,транс-изомеров. Природный сфингозин имеет структуру (2S,3R,4E)-2- аминооктадецен-4-диола-1,3. Помимо С18-сфингозина, формула которого приведена выше, встречаются, но значительно реже, С1б-, Си-, С19- и С2о-сфингозины. Для них всех характерно наличие ю/мт/с-конфигурации двойной связи и D-конфигурации асимметрических С2 и С3. Сфингозины встречаются в составе двух типов сфинголипидов - церамидов и сфингомиелинов.
Церамиды широко распространены в тканях растений и животных, но в незначительных количествах. Эти соединения можно рассматривать как N-ацилсфингозины, в которых аминогруппа сфингозина ацилирована остатком жирной кислоты из 16, 18, 22 или 24 атомов углерода:
1843
СН3—(СН2)12-СН=СН—(^НОН
Н—ф—NH—(j—RХНэОН О
Сфингомиелины отличаются от церамидов наличием фос- форилхолинового остатка, замещающего атом водорода в первичной спиртовой группе:
1843
сн3—(СН2)12-СН=СН-СНОН у
H-^q—NH-C—R
Н^с-о-р—о—CH2CH2N(CH3)3 в о®
Так же как и фосфатидилхолины, сфингомиелины содержат в своих молекулах ионную фосфорилхолиновую группировку и две длинные гидрофобные углеводородные цепи, что придаёт этим соединениям амфифильные свойства. Сфингомиелины
обнаружены в нервной ткани, среди липидов крови и во многих других тканях.
Кроме церамидов и сфингомиелинов, остаток сфингозина является структурной единицей липидов, принадлежащих к группе гликосфинголипидов: цереброзидов и ганглиозидов. Гликосфинголипиды накапливаются в аномально больших количествах при некоторых заболеваниях, сопровождающихся нарушениями липидного обмена; эти соединения в наибольших количествах содержатся в миелиновых оболочках нервов и в белом и сером веществе мозга. Отличительной чертой этой группы липидов является наличие в их молекулах, помимо сфингозинового остатка, одного или нескольких углеводных остатков.
Цереброзиды при полном гидролизе распадаются на сфингозин, жирную кислоту и моносахарид (чаще всего D-галактозу, реже D-глюкозу) в соотношении 1:1:1. В зависимости от типа монозы их разделяют на галактоцереброзиды и глюкоцереброзиды. Все цереброзиды являются р-гликозидами, агликоном которых служит церамид:
43
ННHOQH2HOQH2НОНОЛзн2 6Глюкоцереброзид (глюкосфинголипид)Лзн2 6Глюкоцереброзид (глюкосфинголипид)СН3-(СН2)12-СН=СН-СНОНН-^С—NF
Н
Н
HOQH2
HOQH2
НО
НО
Лзн2 6
Глюкоцереброзид (глюкосфинголипид)
Лзн2 6
Глюкоцереброзид (глюкосфинголипид)
Ганглиозиды представляют собой олигосахариды, агликоном которых также являются церамиды, но сахарная часть молекул построена значительно сложнее: в ней может содержаться более четырёх остатков моносахаридов, преимущественно галактозы. Обязательным является наличие хотя бы одного остатка сиаловой кислоты, как правило, ацетилнейраминовой (5- амино-2-оксо-4,6,7,8,9-пентаоксинонановой, или нонулозами- новой) кислоты. Далее для примера приведена структурная формула ганглиозида Омг и краткая запись (курсивом) этой структуры:
18184343НОННОНNHNHRRNHCOCH, \ HO " ™Г \/P—^Cnhcogh, hoocV^5'NHCOCH, \ HO " ™Г \/P—^Cnhcogh, hoocV^5'NeuAc!АNeuAc!Агг7- снон7- снон8' снон8' снон
18
18
43
43
НОН
НОН
NH
NH
R
R
NHCOCH, \ HO " ™Г \/P—^Cnhcogh, hoocV^5'
NHCOCH, \ HO " ™Г \/P—^Cnhcogh, hoocV^5'
NeuAc!А
NeuAc!А
г
г
7- снон
7- снон
8' снон
8' снон
9 СН2ОН9 СН2ОНGalNAc(l—*-4)Gal(l—*4)Clc Cer
9 СН2ОН
9 СН2ОН
Неомыляемые липиды
К этой группе соединений относятся вещества, извлекаемые из природных источников (тканей растений и животных) органическими растворителями, но не распадающиеся на более мелкие молекулы при кислотном и щелочном гидролизе. По одной из классификаций эта группа соединений попадает вместе со сфинголипидами в класс липидов, не содержащих глицерин, однако структуры нсомыляемых липидов не имеют ничего общего со структурами сфинголипидов. Неомыляемые липиды представляют собой группу нейтральных веществ, которую можно разделить, сообразуясь с особенностями структуры, на терпеноиды и стероиды.
К терпеноидам относят ненасыщенные углеводороды и их разнообразные функциональные производные, отличительной чертой которых является наличие повторяющихся звеньев со скелетом изопрена (2-метилбутадиена-1,3); поэтому соединения такого типа называют изопреноидами. В химии терпенов принято изображение формул без обозначения атомов водорода и углерода (эти формулы приведены под молекулярной фор-
мул ой углеводорода), позволяющее более чётко видеть скелет молекулы:
Мирцен CiqHi6Мирцен CiqHi6СН2-С-СН=СН2 НзС^=СНСН2СН2^-СН=СН2 (!н3СН3 СН2
Мирцен CiqHi6
Мирцен CiqHi6
Изопрен С5Н8Мирцен СЮН|6
Соединение повторяющихся звеньев между собой происходит строго регулярно по типу присоединения “голова к хво-
Монотерпен (оцимен) .Монотерпен (оцимен) .сту" (изопреновое правило РужичкиУ I Хвост Голова J .
Монотерпен (оцимен) .
Монотерпен (оцимен) .
Общая формула терпеновых углеводородов (С5Н§)п, и в зависимости от величины п терпены подразделяют на следую-
щие группы:
монотерпены (п = 2);
сесквитерпены (п = 3);
дитерпены (п = 4);
тритерпены (п = 6).
Далеко не все терпеновые углеводороды имеют молекулярную формулу, точно отвечающую составу (СзН^п; содержание водорода может оказаться ниже или выше, но число атомов углерода и в углеводородах, и в функциональных производных терпенового ряда всегда соответствует формуле изопреноида. Терпены являются составной частью эфирных масел и содержатся в различных растениях. Эти соединения могут иметь как открытые цепи (как у оцимена, цитронеллаля), так и цепи, замкнутые в моноциклические (ментол), бициклические (камфора) и даже трициклические (сесквитерпен а-сантален) струк
туры:туры:КамфораКамфораа-Санталена-Сантален
туры:
туры:
Камфора
Камфора
а-Сантален
а-Сантален
Среди терпеноидов наибольший интерес представляют
дитерпеновый спирт ретинол (витамин Ai) и тетратерпены а- и Р-каротины, представители большой группы каротиноидов:
P-Каротин (провитамин А)
а-Карогин
/S^^X^/CH2OH
*^/< Дитерпен ретинол (витамин А1) Каротиноиды являются липофильными красящими веществами, широко распространёнными в растительном и животном мире и участвующими в процессах фотосинтеза. При ферментативном расщеплении каротины превращаются в витамин А] (на приведённой выше схеме место разрыва показано пунктиром), причём только (3-каротин даёт две молекулы ретинола; поэтому его называют провитамином Ар Каротины отличаются наличием большого числа сопряжённых двойных связей >ОС< (именно поэтому они интенсивно окрашены), причём почти все природные каротины имеют Е-конфигурации двойных связей; лишь немногие из каротиноидов имеют одну или несколько связей с Z-конфигурацией. В некоторых животных тканях может осуществляться изомеризация двойных связей. Вследствие этого в печени крысы обнаружена Z-форма витамина А; в зрительном пигменте глаз также имеется каротиноид, содержащий одну двойную связь с Z-конфигурацией.
Некоторые соединения, являющиеся необходимыми компонентами пищи (например витамин Е, витамин К и кофермент Q), содержат терпеновые боковые цепи:
н,с^^н,<^3
Х3Т ТгнНсНгСНг-СН-СНгУи
3 X/3
СН3 4 а-Токоферол (витамин Е)
(из печени млекопитающих)
Вторую крупную группу соединений, относимых к неомыляемым липидам, составляют стероиды. В основе стероидов лежит остов стерана (или гонана, или циклопентанпергидрофенантрена, т.с. полностью гидрированного фенантрена, конденсированного с циклопентаном): •
слева - принятая нумерация атомов, справа - принятые обозначения колеи
Для классификации стероидов оказалось удобным разделить их на группы в зависимости от длины цепи алифатического заместителя при атоме С17 в кольце D. Стероидами считаются многочисленные природные вещества: стерины, содержащие в боковой цепи от 8 до 10 атомов углерода; желчные кислоты^ у которых заместитель при С17 содержит пять атомов углерода; стероидные гормоны группы кортикоидов и гестагенов (два атома С) и группы андрогенов и эстрогенов (вообще не содержащие боковой цепи при С17), а также некоторые животные и растительные яды. Последовательное применение систематической номенклатуры к стероидам приводит к непомерно длинным и трудно произносимым названиям. В соответствии с рекомендациями IUPAC основные скелеты стероидов обозначают тривиальными названиями: холестан для скелета стеринов, холан для скелета желчных кислот, прегнан для скелета гестагенов и гормонов коры надпочечников, андростан и эстран для скелетов адрогенов и эстрогенов, соответственно.
В формулах основных скелетов стероидных молекул не отражено пространственное строение этих молекул, в то время как природным соединениям отвечают только такие изображения структур, в которых атом водорода или соответственно метильная группа при С13 находятся над плоскостью чертежа. Для обозначения конфигурации других заместителей применяют а,0-систему: все заместители и атомы водорода, располагающиеся по ту же сторону скелета, что и атом Н или метильная группа при С13, обладают 0-конфигурацией; для всех остальных принимается а-конфигурация.
Циклогексановые кольца стероидов существуют в конформации кресла. Кольца А и В могут, как в случае декалина, быть связаны по цис- или транс-тапу.
При /лрднс-сочленении атом Н при С5 имеет а-конфигурацию, при цис-сочленении — 0-конфигурацию:
Н 5а-Андростан Н
Таким образом, с помощью указания конфигурации атома Н при С5 сочленение колец А и В определяется однозначно. Кольца В и С всегда шрш/с-сочленены. У большинства стероидов Аиржс-сочленение характерно также для колец С и D. Боковая цепь при атоме С17 также имеет zzzp^c-конфигурацию. Для обозначения частично ненасыщенных или замещённых соединений исходят из названия остова соединения и используют правила систематической номенклатуры с учётом аф-си- стемы.
Стерины являются группой соединений со скелетом холе- стана. Они делятся на зоостерины (стерины животных), фитостерины (стерины растений) и микостерины (стерины грибов). Среди зоостеринов наиболее распространённым является холестерин (холестен-5-ол-Зр). В крови животных только треть холестерина существует в виде свободного спирта, остальной холестерин этерифицирован ненасыщенными жирными кислотами. Дегидрирование холестерина селеном приводит к ароматическому углеводороду ряда фенантрена. В кишечнике в результате бактериального превращения из холестерина образуется копростерин (5р-холестан-3р-ол), продукт восстановления двойной связи С5—С6 с ^//с-сочлененем колец А и В. Одновременно образуется и изомер с гораяс-сочленением (5ос-хо- лестан-Зр-ол), называемый холестанолом. При окислении холестерина образуется 7-дегидрохолестерин (холестадиен-5,7- Зр-ол) с двумя конъюгированными двойными связями (С5-^ и С7-С). Схожее с холестерином строение молекулы имеет столь же биологически важное соединение эргостерин (24-ме- тил-холестатриен-5,7,22-Зр-ол, стерин дрожжей, микостерин). При ультрафиолетовом облучении эргостерин фотоизомеризу- ется в витамин D2 (кальциферол) путём разрыва связи С-С и одновременного образования двойной связи в положении С10-
-С, поэтому эргостерин считается провитамином D2. Кальциферол, называемый также эргокальциферолом, обладает мощным противорахйтным действием. Аналогичное превращение 7-дегидрохолестерина даёт витамин D3, который тоже проявляет антирахитный эффект, хотя его молекула и содержит на одну метильную группу и одну двойную связь меньше.
найдены также в желчи крупного рогатого скота. В приводимых ниже структурных формулах для простоты метильные группы изображены только валентным штрихом; атомы водорода при углеродных атомах не указаны.
В желчи желчные кислоты обычно амидированы аминокислотами глицином и таурином (2-аминоэтан-1-сульфоновой кислотой); образующиеся при этом холил глицин ^гликохолевая кислота) и холилтаурин (таурохолевая кислота) в виде солей со щелочными металлами хорошо растворимы в воде и, благодаря своим поверхностно-активным свойствам, действуют как эмульгаторы жиров пищи и облегчают усвоение жиров в кишечнике. Одновременно они активируют фермент липазу, катализирующий гидролитический распад жиров.
Стероидные гормоны разделяются по числу атомов углерода в их молекулах и характеру биологического действия на четыре трупы:
кортикоиды; содержат 21 атом углерода, гормоны коры надпочечников;
андрогены; содержат 19 атомов углерода, мужские половые гормоны;
эстрогены; содержат 18 атомов углерода, фолликулярные гормоны, женские половые гормоны;
гестагены; гормоны жёлтого тела, гормоны беременности, женские половые гормоны.
Кортикоиды вырабатываются в коре надпочечников и регулируют углеводный обмен (глюкокортикоиды) и минеральный обмен (минералкортикоиды). Структура кортикоидов основана на скелете прегнана. Наиболее распространёнными и биологически важными соединениями среди глюкокортикоидов являются гидрокортизон, или кортизол (11р,17а,21-триокси- прегнен-4-дион-3,20) и кортикостерон (11р,21-диоксипрегнен- 4-дион-3,20). Эти вещества действуют как антагонисты инсулина и повышают содержание сахара в крови, инициируя процессы глюконеогенеза в печени, а также препятствуя использованию глюкозы в мускульных тканях. В отношении водного и солевого обменов эти соединения менее активны, чем минералкортикоиды. Глюкокортикоиды оказывают противовоспалительное, десенсибилизирующее и антиаллергическое воздействие, но в то же время являются иммунодепрессантами. В фармакологической практике применяются в виде сложных эфиров (ацетатов, моносукцинатов), образованных с участием гидроксильной группы при С21.
К группе глюкокортикоидов относятся также кортексон (21- оксипрегнен-4-дион-3,20) и вещества с тремя карбонильными группами: кортизон (17а,21-диоксипрегнен-4-трион-3,11,20) и преднизон (17а,21 -диоксипрегнадиен-1,4-трион-З,11,20), обла-
дающие антиревматическим, противовоспалительным и анти-
аллергическим действием; мази с этими веществами широко используются для лечения болезней кожи.
Наиболее важным среди минералкортикоидов является альдостерон (11р,21-диоксипрегнен-4-13-аль-18-дион-3,20), который более активен в отношении водно-солевого обмена, чем другой минералкортикоид - 11-дезоксикортикостерон (21-ок-
Эти соединения вызывают задержку в организме ионов натрия и повышение выделения ионов калия, вследствие чего увеличивается гидрофильность тканей и задержка воды в них. При недостатке минералкортикоидов в организме резко нарушается падение обратного всасывания ионов натрия в почечных канальцах и, как следствие, задержка в организме ионов калия и падение осмотического давления крови. Удаление ионов натрия и калия из тока крови приводит к удалению воды из кровеносного русла и сгущению крови. Недостаток ионов натрия в крови вызывает миграцию ионов калия из тканей в кровь для сохранения общего уровня ионов, а это отражается на деятельности клеток печени, почек, сердца и мышечной ткани. Увеличение содержания минералкортикоидов повышает тонус и улучшает работоспособность мышц, причём по способности задерживать выделение натрия альдостерон в 25 раз превосходит дезоксикортикостерон и в 300 раз более активен, чем кортизол. Как и другие кортикостероиды, эти соединения применяются в фармацевтической практике в виде 21-ацетата или 21 -триметилацетата.
Андрогены вырабатываются в семенных яичках и служат мужскими половыми гормонами, хотя небольшое их количество продуцируется также надпочечниками и яичниками. Они
контролируют развитие мужских вторичных половых признаков, процесс сперматогенеза в семенных канальцах семенников, возникновение и поддержание полового влечения. В эмбриональном периоде андрогены служат фактором половой дифференциации; после наступления половой зрелости они обеспечивают максимальную реализацию мужского фенотипа. Кроме того, андрогены участвуют в функционировании многих систем, не связанных с половой функцией, в частности, обладают анаболическим эффектом, снижают функцию тимуса.
Основой скелета андрогенов служит андростан. Первыми андрогенами, выделенными в 1934 г., были андростерон (За- окси-5а-андростанон-17) и 5-дегидроандростерон (3(3-окси-анд- ростен-5-он-17); позднее из бычьих семенников был изолирован важнейший из андрогенов тестостерон (170-оксиандро- стен-4-он-З):
Андростерон 5-Дегидроандростерон Тестостерон
5-Дегидроандростерон может быть превращён в тестостерон серией химических превращений: после защиты ОН-группы при С3 ацетилированием её хлористым ацетилом восстанавливают карбонильную группу и защищают образовавшийся гидроксил при С17 получением 17-бензоата с помощью бензоил- хлорида; после удаления ацетильной группы с гидроксила при С3 действием водного раствора NaOH и последующего бромирования двойной связи >С5=С6< вторичную гидроксильную группу при С3 окисляют хромовым ангидридом; отщепление молекулы брома под действием иодида натрия и гидролиз 17- бензоата водным раствором КОН приводит к тестостерону.
Эстрогены, или фолликулярные гормоны, представляют собой стероидные гормоны, вырабатываемые преимущественно в Граафовых пузырьках яичников; во время беременности
они образуются и в плаценте. Эти вещества считаются женскими половыми гормонами, ибо их основная роль заключается в обеспечении репродуктивной функции женского организма. Своё название эстрогены получили потому, что при введении кастрированным самкам вызывали течку ^эструс\
В основе структур эстрогенов лежит скелет эстрона, причём кольцо А, как правило, является ароматическим. Поэтому гидроксильная группа при С3 проявляет свойства не спиртовой, а фенольной функции. Как и все фенолы, эстрогены являются слабыми ОН-кислотами и могут быть экстрагированы из растворов в неполярных растворителях (например в бензоле) водными растворами щелочей в виде водорастворимых фенолятов. При последующем подкислении водной вытяжки плохо растворимые в воде эстрогены либо выделяются в виде осадка, либо всплывают в виде масла, которое может быть легко отделено. Таким образом удаётся отделить эстрогены от прочих соединений, экстрагируемых из биологического источника неполярным растворителем. Самыми важными эстрогенами являются эстрон [З-оксиэстратриен-1,3,5(10)-он-17], эстрадиол [3,17р-диоксиэстратриен-1,3,5(10)] и эстриол [3,16а, 17р-триоксиэстратриен-1,3,5(10)]:
К женским половым гормонам относят и гестагены (гормоны жёлтого тела), хотя структура этих соединений, в основе которой лежит остов прегнана (см. с. 133-134), отлична от структур эстрогенов. Гестагены вырабатываются не только в Corpus luteum, но и в надпочечниках, и вместе с эстрогенами регулируют менструальный цикл. Кроме того, гестагены затрудняют овуляцию в беременной матке, что сделало эти гормоны основой для разработки оральных контрацептивов. Основным гестагеном, функционирующим в женской репродуктивной системе, является прогестерон (прегнен-4-дион-3,20),
который делает матку восприимчивой к внедрению оплодотворённой яйцеклетки. Прогестерон и его синтетические аналоги используют для предотвращения преждевременного самопроизвольного прекращения беременности.
Химическое поведение всех стероидов полностью определяется теми функциональными группами, которые входят в их структуры; именно наличие гидроксильных групп обусловило возможность использования их сложных эфиров с янтарной кислотой (так назваемых гемисукцинатов) для создания более гидрофильных форм, пригодных для использования в качестве лекарств. Наличие гидроксильных, карбонильных и карбоксильных групп позволяет модифицировать молекулы стероидов таким образом, чтобы обеспечить реализацию только одной из нескольких биологических функций молекул, например, получить контрацептивы, не обладающие анаболическим эффектом, или синтезировать анаболики, лишённые половой гормональной активности.
К стероидам причисляют также карденолиды и буфадиено- лиды. Эти соединения различаются по виду источника, в котором они содержатся: карденолиды были найдены в семенах, корнях и листьях различных видов растений, а буфадиенолиды в кожных железах некоторых видов жаб (Bufo vulgaris). Все эти соединения в небольших дозах возбуждают сердечную активность и используются как лекарства, а в больших дозах являются ядами.
Из наперстянки (Digitalis purpurea L, D. lanata Ehrh.), строфанта (Strophanthus grains, S. Kombe ), ландыша (Con- vallaria majalis L.), морского лука (Urginea maritima) и других растений получают лекарственные препараты, называемые сердечными гликозидами, или карденолидами. Эти препараты содержат схожие между собой по химическому строению ве-
щества — гликозиды, агликоны которых принадлежат к стероидам (зги агликоны называют генинами). Наиболее распространёнными стероидами этого типа являются дигитоксигенин (агликон дигитоксина), дигоксигенин (агликон дигоксина), стро- фантидин (агликон строфантина и конваллятоксина). Отличительной чертой структур генинов являются: а) ч«с-сочле- нение колец Си D; б) наличие 140-гидроксильной группы; в) наличие а,0-ненасыщенного лактонного цикла; на эту особенность структуры указывает суффикс "-енолид' в названии группы соединений. Современная классификация разделяет карденолиды на тип карденолидов наперстянки (с метильной группой при С10), тип карденолидов строфанта (с альдегидной группой У С10) и карденолиды со спиртовой группой у С10 (они встречаются реже). Во всех соединениях группы ОН располагаются при С3 и С14, а у некоторых соединений могут находиться при С5 или С16. При С13 обычно имеется группа СН3.
Дигоксигенин11 Буфоталин
Гликозидные связи в карденолидах имеют 0-конфигурацию и образованы с участием 30-гидроксильной группы стеро-
идного агликона. В составе сахарного компонента кардсноли- дов обнаружены 45 моносахаридов; наиболее широко представлены D-глюкоза, D-фукоза, D-ксилоза и D-рамноза. Для сахаридов в составе карденолидов характерно обилие остатков дезоксисахаров и их метиловых эфиров. Специфическое действие карденолидов на сердце обусловлено влиянием агликонов, однако сахара, образующиеся одновременно с ними при ферментативном гидролизе карденолидов, усиливают действие генинов, влияя на их растворимость и всасывание и фиксацию сердечной мышцей.
Буфадиенолиды во многом схожи с карденолидами и по биологическим свойствам, и по строению. Существенным отличием является наличие в их молекулах шестичленного лактонового цикла с двумя двойными связями (диенолида).
ЛИТЕРАТУРА
Тюкавкина НА, Бауков Ю.И. Биоорганическай(химия. -^ М.: Медицина, 1985.
Райле А.,Смит К.,Уорд Р. Основы органической химии. - М.: Мир, 1983.
Гауптман 3., Грефе Ю., Ремане X. Органическая химия. - М.: Химия, 1979.
Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. - М.: Мир, 1974.
Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. - М.: Просвещение, 1987.
Вайзман Ф.Л. Основы органической химии. - СПб.: Химия, 1995.
Муравьёва Д.А. Фармакогнозия. - М.: Медицина, 1991.
Сорочинская Е. И. Биоорганическая химия. Биологически важные класы соединений .Учебное пособие.-СПб.: Изд-во С.- Петербургского университета, 1998.
ся от холестановой: в ланостерине имеются три "лишних" за
местителя — ге/и-диметильные группы при С4 и дополнитель
ная ангулярная (т.е. находящаяся в месте сочленения колец)
метильная группа при С14.
Желчные кислоты содержатся в желчи животных и пред
ставляют собой производные холана. Общим элементом струк
тур желчных кислот является холановая кислота - производное
5р-холана, в котором атом С24 окислен до карбоксильной
окси-5р-холановая), дезоксихолевая (За,12а-диокси-5р-холано-
вая), литохолевая (За-окси-5р-холановая) и хенодезоксихолевая
(За,7а-диокси-5р-холановая) кислоты*, первые три вещества
Санкт-Петербургский государственный университет
Е.И.Сорочинская
БИООРГАНИЧЕСКАЯХИМИЯ
Поли- и гетерофункциональные соединения.Биополимеры и их структурные компоненты
Учебное пособие
Издательство Санкт-Петербургского университета1998
УДК 547.9.075
ББК 24.2
С 65
Рецензенты:
канд. хим. наук Л.М.Кузнецова (C.-Петерб. ун-т),канд. биол. наук И.Ю.Карягина (C.-Петерб. ун-т)
Печатается по постановлениюРедакционно-издательского советаСанкт-Петербургского государственного университета
Сорочинская Е.И.
С 65 Биоорганическая химия.Поли- и гетерофункциональ- ные соединения. Биополимеры и их структурные компоненты: Учебное пособие. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1998. - 148 с.
ISBN 5-288-02171-6
Учебное пособие продолжает изданное ранее пособие "Биоорганическая химия. Биологически важные классы органических соединений*’. Оба пособия отражают курс лекций "Биоорганическая химия", читаемый на медицинском факультете СПбГУ. Во второй части пособия рассмотрены характерные свойства поли- и гетерофункцио- нальных соединений, обусловленные взаимным влиянием различных функциональных групп, одновременно присутствующих в их молекулах. Отдельный раздел посвящён биологически важным гетеро- функциональным соединениям (аминокислоты, пептиды, белки, углеводы. нуклеиновые кислоты и липиды), знание структурных особенностей и специфических химических свойств которых необходимо для понимания процессов, происходящих в живых организмах.
Пособие написано в соответствии с протраммой, утверждённой Министерством здравоохранения РФ. и предназначено для студентов медицинских и биологических специальностей.
УДК 547.9.075
ББК 24.2
-z;^ €> Е.И.Сорочинская, 1998© Издательство
ISBN 5-288-02171-6ISBN 5-288-02171-6С.-Петербурюкогоуниверситета, 1998
ISBN 5-288-02171-6
ISBN 5-288-02171-6