Занятие № Низкомолекулярные биологически активные соединения. Тема. Поли- и гетерофункциональные органические соединения

Диоксид углерода (углекислый газ) – участник многих реакций карбоксилирования и декарбоксилирования in vivo и in vitro.

Мочевина (карбамид) (NH₂)₂С = О – важнейший азотсодержащий конечный продукт обмена веществ у человека (с мочой выделяется мочевины около 20-30 г/сутки). В организме мочевина гидролизуется под действием ферментов.

Щелочной раствор глицерата меди под названием реактива Гайнеса применяется в клинических лабораториях для открытия глюкозы в моче.

Молочная кислота известна как продукт молочнокислого брожения лактозы, содержащейся в молоке, и других углеводов, входящих в состав овощей и плодов.

В организме L – (+) – молочная кислота является одним из продуктов превращения глюкозы (гликолиза). Она накапливается в мышцах при интенсивной работе, вследствие чего в них возникает характерная боль. Причина накопления молочной кислоты – недостаток кислорода, что вызывает восстановление пировиноградной кислоты с участием НАДН в молочную. Во время отдыха запасы кислорода возобновляются, и молочная кислота окисляется снова в пировиноградную кислоту.

Яблочная, лимонная, изолимонная, янтарная, фумаровая, а также щавелево-уксусная кислоты являются участниками цикла трикарбоновых кислот, называемых также циклом Кребса.

Происходящие в организме превращения этих кислот являются по своей химической сути реакциями окисления или восстановления. Для каждой из этих кислот реакции катализируются специфическими ферментами с использованием коферментов. Для окислительно-восстановительных процессов наиболее характерно участие коферментов никотинамидной природы (сокращенные наименования НАД⁺ и НАДН). С участием НАД⁺ осуществляются окислительные процессы, а с участием НАДН – восстановительные.

В последние десятилетия появилось множество новых лекарственных средств. Однако большое значение сохраняют некоторые лекарственные средства с бензольным ядром в качестве структурной основы. Бензольная кислота в виде натриевой соли применяется как отхаркивающее средство. Производное n-Аминофенола – парацетамол (n – ацетамидофенол) оказывает анальгическое (обезболивающее) и жаропонижающее действие.

Салициловая кислота проявляет антиревматическое, жаропонижающее и антигрибковое действие, но как сильная кислота (pKa 3,0) вызывает раздражение желудочно-кишечного тракта и потому применяется только наружно.

Белки составляют материальную основу химической деятельности клетки.

Пептиды и белки построены из остатков α-аминокислот. Общее число встречающихся в природе аминокислот превышает 100, но некоторые из них обнаружены лишь в определенном сообществе организмов, 20 наиболее важных α-аминокислот постоянно встречаются во всех белках.

В организме под действием различных ферментов осуществляется ряд важных химических превращений аминокислот. К таким превращениям относятся трансаминирование, декарбоксилирование, элиминирование, альдольное расщепление, окислительное дезаминирование, окисление тиольных групп.

1. 
   Знать классификацию биологически активных веществ, участвующих в процессах метаболизма.
   
2. 
   Знать основные свойства поли- и гетерофункциональных соединений, участие их в процессах метаболизма и применение как лекарственных средств.
   

Задания для самостоятельной работы студента во внеучебное время (самоподготовка).

1. Поли- и гетерофункциональность как один из характерных признаков органических соединений.

2. Особенности химического поведения поли- и гетерофункциональных соединений: кислотно-основные свойства (амфолиты), циклизация и хелатообразование. Взаимное влияние функциональных групп.

3. Полифункциональные соединения. 1)Многоатомные спирты. Хелатные комплексы. 2) Сложные эфиры многоатомных спиртов с неорганическими кислотами (нитроглицерин, фосфаты глицерина, инозита). 3) Двухатомные фенолы: гидрохинон, резорцин, пирокатехин. Фенолы как антиоксиданты.

4. Полиамины: этилендиамин, путресцин, кадаверин.

5. Двухосновные карбоновые кислоты: щавелевая, малоновая, янтарная, глутаровая, фумаровая. Превращение янтарной кислоты в фумаровую как пример биологической реакции дегидрирования.

6. Гетерофункциональные соединения. Аминоспирты: аминэтанол (коламин), холин, ацетилхолин. Аминофенолы: дофамин, норадреналин, адреналин. Понятие о биологической роли этих соединений и их производных.

7. Гидрокси- и аминокислоты. Влияние различных факторов на процесс образования циклов (стерический, энтропийный). Лактоны. Лактамы. Представление о β-лактамных антибиотиках. Одноосновные (молочная, β- и γ-гидрокимасляные), двухосновные (яблочная, винные), трехосновные (лимонная) гидроксикислоты.

8. Оксокислоты – альдегидо- и кетонокислоты: глиоксиловая, пировиноградная (фосфо-енолпируват), ацетоуксусная, щавелевоуксусная, α-оксоглутаровая. Реакции декарбоксилирования β-кетонокислот и окислительного декарбоксилирования кетонокислот. Кетоенольная таутомерия.

9. Гетерофункциональные производные бензольного ряда как лекарственные средства (салициловая, аминолбензойная, сульфаниловая кислоты и производные).

10. Биологически важные гетероциклические соединения. Тетрапиррольные соединения (порфин, гемм и др.). Производные пиридина, изоникотиновая кислоты, пиразола, пиримидина, пурина, тиазола. Кето-енольная и лактим-лактамная таутомерия в гидроксиазотосодержащих гетероциклических соединениях. Барбитуровая кислота и ее производные. Гидроксипурины (гипоксантин, ксантин, мочевая кислота). Фолиевая кислота, биотин, тиамин. Понятие о строении и биологической роли.

11. Представление об алкалоидах и антибиотиках.

1. Биоорганическая химия. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И., Зурубян С.Э. М., группа «Гэотар-Медиа», 2010.

2. Практикум по общей и биоорганической химии. Под ред. профессора Попкова В.А., 3-е изд., М., издательство центр «Академия», 2008.

3. Текст лекций.

1) полифункциональные, содержащие одинаковые функциональные группы, например: этиленгликоль CH₂OH – CH₂OH, щавелевая кислота HOOC – COOH.

2) гетерофункциональные, содержащие различные функциональные группы, например: коламин CH₂OH – CH₂NH₂, молочная кислота CH₃ – CHOH – COOH, n – аминобензойная кислота H₂N – C₆H₄ – COOH.

3) гетерополифункциональные, например, яблочная кислота HOOC-CH(OH) – COOH.

Наличие нескольких функциональных групп в молекуле оказывает значительное влияние на химические свойства соединений, приводя, с одной стороны, к усилению или ослаблению реакционной способности соединений, а с другой – к появлению нехарактерных для монофункциональных соединений специфических свойств.

Наличие в молекулах групп OH, SH, COOH приводит к усилению её кислотных свойств, а аминогрупп NH₂, NH – к усилению основных свойств. Наличие дополнительной электроноакцепторной группы вблизи кислотного центра влечет за собой повышение кислотности соединения. Например, этиленгликоль CH₂OH–CH₂OH проявляет более сильные кислотные свойства по сравнению с этанолом CH₃ – CH₂OH; молочная кислота CH₃ – CH(OH) – COOH - более сильной, чем пропановая CH₃ – CH₂C – OOH.

Во всех перечисленных случаях отрицательный индуктивный эффект заместителей (–J - эффект) вблизи групп OH и COOH обусловливает значительную поляризацию связи О – Н и легкость отщепления протона, т.е. усиление кислотных свойств.

Аналогично, замена метильной группы СН₃ в ацетамиде на аминогруппу в карбамиде (мочевине):

CH₃ – C – NH₂ NH₂ – C – NH₂

|| ||

Ацетамид Карбамид

приводит к усилению основных свойств (ацетамид в реакцию с соляной кислотой не вступает).

Наличие в молекуле различных по кислотно-основным свойствам функциональных групп обусловливает амфотерные свойства соединений. Например, в α-аминокислотах, которые в кристаллическом состоянии, а также в нейтральном водном растворе существуют в форме цвиттер-иона H₃N⁺ – CH(R) – COO⁻.

Кроме кислотно-основного взаимодействия, возможны и другие виды химического взаимодействия, например, реакции нуклеофильного замещения у sp² -гибдизованного атома углерода в карбоксильной группе за счет взаимодействия с гидроксильной группой в гидроксикислотах (образование сложных эфиров) или аминогруппой в аминокислотах (образование амидов). Так, в присутствии карбоксильной группы атом галогена, например, в α-галогенкарбоновых кислотах, легко замещается не только на гидроксильную группу, (при взаимодействии со щелочами), но и на аминогруппу (при взаимодействии с аммиаком):

R – CH – COOH + 3NH₃ → R – CH – COONH₄ + NH₄Cl

| |

Cl NH₂

Для кислот, которые содержат электроноакцепторную группу Х (Х = Hal, OH, SH, NH₂, NO₂ и др.) в β-положении к карбоксильной (β-замещенные кислоты), характерны реакции по кислотному α-СН-центру, поскольку значительное электронодефицитное состояние α-атома углерода обеспечивает повышенную подвижность α-атома водорода.

В результате реакции образуются α, β-ненасыщенные кислоты.
Х ← CH₂ ← CH → COOH → H₂C = CH – COOH + HX

↑

H

R – CH – COOH R – CH₂ – X + CO₂

X
В результате реакций образуются альдегиды (из оксокислот) и амины (из аминокислот), например

O O

|| ||

Декароксимерование глутаминовой кислоты приводит к образованию γ-аминомасляной кислоты:

|

NH₂

R OH R

C C = O + HCOOH

/ \ /

R COOH R
Реакции циклизации относятся к специфическим реакциям гетерофункциональных соединений и могут протекать как внутримолекулярно, так и межмолекулярно в зависимости от удаленности функциональных групп друг от друга.

Внутримолекулярная циклизация характерна для гетерофункциональных соединений с γ- и δ-положением функциональных групп. Нуклеофильный и электрофильный реакционные центры находятся внутри одной молекулы и оказываются сближенными в пространстве за счет существования молекулы в «свернутой» (клешневидной) конформации.

В результате реакций внутримолекулярной циклизации могут образоваться циклические полуацетали из альдегидоспиртов по механизму A_N:

Циклические эфиры – лактоны – из гидроксикислот по механизму S_N с участием sp²-гибридизированного атома углерода:

5-гидроксипентановая δ-пентиролактон

кислота

Циклические амиды – лактамы – из аминокислот по механизму S_N с участием sp²-гибридизированного атома углерода. Происходит внутримолекулярное взаимодействие амино- и карбоксильной групп в γ- и δ-аминокислотах.

кислота

Межмолекулярная циклизация характерна для α-замещенных кислот, происходит по механизму межмолекулярного элиминирования и сопровождается образованием циклических диэфиров – лактидов из α-гидрокислот.

Поли- и гетерофункциональные соединения с α-положением функциональной группы выступают в роли бидентатных или полидентатных лигандов при взаимодействии с ионами α-переходных металлов с образованием внутрикомплексных соединений – хелатов. Например, при взаимодействии в растворе аминоуксусной кислоты (глицина) с солями меди(II) образуется внутрикомплексная соль – глицинат меди:

Наибольшее значение для организма имеют ароматические азотсодержащие гетероциклы – сопряженные системы, содержащие атом (атомы) азота и удовлетворяющие критерию ароматичности. Их делят на две группы. Избыточные системы, пример пиррол и π-Дефицитные системы, пример

Пиррол имеет слабовыраженные кислотные свойства. Восстанавливается пиррол с трудом, в жестких условиях.

Соединения, содержащие пиридиновый цикл, с трудом окисляются, но легче восстанавливаются. Гетероатом является акцептором протона за счет пары электронов, не участвующей в сопряжении, и проявляет основные свойства (пиридиновый атом азота).

Гомологи пиридина легко окисляются даже в мягких условиях. Так, при окислении β-пиколина (2-метилпиридина) образуется никотиновая кислота (витамин РР):

Нагревание может способствовать взаимодействию гетерофункций между собой либо внутри одной, либо между двумя молекулами с образованием в том и другом случае циклических соединений.

1. Внутримолекулярное взаимодействие у α-производных приводит к возникновению термодинамических неустойчивых трехчленных циклов:

R – CH – COOH ⇆ R – CH – C = O + H₂O

| \ /

OH O

| \ /

α-лактам
При межмолекулярном взаимодействии размер цикла расширяется до шестизначного

Лактид

Дикетопиперазин

2. При нагревании β-производных, как правило, происходит не циклизация, а реакция элиминирования с выделением Н₂О или NH₃ c образованием α, β-непредельных кислот:

β α β α

R – CH – CH – COOH _{R – CH = CH – COOH}

3. 
   _{Для γ-производных можно ожидать однозначного протекания реакции, т.к. функциональные группы удалены настолько, что внутримолекулярное взаимодействие приведет к образованию пятичленного цикла:}
   

γ β α

R – CH – CH₂ – CH₂ – COOH

|

OH
R

H

C

H

2

C

H

2

C

C

O

O

H

O

H

C

R

O

O

+

H

2

O
γ-лактон


γ β α

R – CH – CH₂ – CH₂ – COOH

|

NH₂

γ-лактам

Лактоны легко образуются даже при стоянии водных растворов γ- и δ-гидрокислот. Лактонное кольцо встречается во многих природных соединениях, например, аскорбиновая кислота (витамин С) является γ-лактоном.

Задача № 2. К каким специфическим свойствам оксокислот, участников важнейших биохимических процессов, приводит β-расположение гетерофункций?

Решение. К оксокислотам относят важнейшие природные оксокислоты: глиоксалевая (клиоксиловая), пировиноградная, ацетоуксусная, щавелевоуксусная, α-гетоглутаровая.

1.При β-расположении функций у метиленовой группы, находящейся между двумя сильными электроноакцепторными группами, значительно повышаются СН-кислотные свойства.

β α


CH

CH

δ

кето-форма енольная форма

Повышенная подвижность водородного атома приводит к прототропии, ведущей к возникновению енольной формы, находящейся в равновесии с кетонной. Это явление носит название кето-енольной таутомерии.

Доказательством существования енольной формы служит качественная реакция на двойную связь с Br₂ и цветная реакция с FeCl₃.

2. Енольная группировка на 54,5 КДж/моль энергетически менее выгодна, чем кето-форма. Однако эта разница может частично или полностью компенсироваться образованием сопряженной системы. Например,


CH

щавелево-уксусная кислота

кето-форма енольная форма

Заключение. β-расположение двух гетерофункций С = О и СООН повышают СН-кислотность метиленовой группы, что приводит к кетоенольной таутомерии.
Задача № 3. Напишите, в виде каких ионов существует глутаминовая кислота в а) сильно-щелочной среде, б) сильнокислой среде, в) изоэлектрической точке. Объясните, почему значение pH в изометрической точке у глутамина (5,63) выше, чем у глутаминовой кислоты (3,2).
Решение.
1.Глутаминовая кислота является моноаминодикарбоновой кислотой. При физиологических значениях рН обе карбоксильные группы и аминогруппа диссоциированы, вследствие чего молекула несет на себе слабый отрицательный заряд:

⁻OOC – CH₂ – CH₂ – CH – COO⁻

|

NH₃

При увеличении кислотности среды будет подавляться диссоциация карбоксильных групп, сначала одной, а затем и второй:


CH

CH₂

CH₂

CH

CH₂

CH₂

CH

CH₂

CH₂

Следовательно, в сильно кислой среде (рН 3,0) глутаминовая кислота проявляет только основный характер (способность присоединить протон по аминогруппе).

При увеличении основности среды подавляется протонирование аминогруппы и в сильнощелочной среде (рН 9) в ионизированном виде находится только карбоксильные группы (кислотный характер аминокислоты):

_OH<sup>-

−</sup>OOC – CH₂ – CH₂ – CH – COO⁻ → ⁻OOC – CH₂ – CH₂ – CH – COO⁻

| |

NH₃ NH₂

В изотермической точке наблюдается такое состояние аминокислоты в растворе, когда концентрация катионов водорода, образовавшихся в результате диссоциации карбоксильной группы, равна концентрации катионов аммония, образовавшихся в результате протонирования аминогруппы. Для глутаминовой кислоты это состояние наступает при рН 3,2.

HOOC – CH₂ – CH₂ – CH – COO⁻


+
|

NH₃

2.Глутамин является моноамидом глутаминовой кислоты ,

О

\\

C – CH₂ – CH₂ – CH – COO⁻

/ + |

H₂N NH₃

т.е. соединением, где амидированная карбоксильная группа не обладает практически кислотным характером. Поэтому ионизация глутамина обусловлена, в основном, диссоциацией аминогруппы и одной карбоксильной группы. Следовательно, изоэлектрическая точка глутамина (pJ 5,65) лежит в интервале рН, характерном для нейтральных аминокислот (5,5 – 6,3).

Д. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ.
Задача № 1. Сравните условия и конечные продукты дезаминирования и декарбоксилирования 2,4-дигидроксифенилаланина in vivo и in vitro.

Задача № 2. Напишите уравнение реакции, протекающее при нагревании α, β и γ-гидроксимасляных кислот.

Задача № 3. Напишите уравнения реакций пировиноградной кислоты с этиловым спиртом, с синильной кислотой. По какому механизму они протекают? При восстановлении пировиноградной кислоты образуется молочная кислота, напишите уравнение этой реакции, укажите восстанавливающий реагент.

Задача № 4. Напишите уравнение реакции получения никотиновой (β-пиридинкарбоновой) кислоты из β-метилпиридина. Приведите строение ее амида. Какое он имеет медицинское значение?

Каталог: upload -> iblock
iblock -> Конкурсного собеседования при поступлении в ординатуру по специальности
iblock -> Агентство образования администрации Красноярского края Управление образования Администрации г. Канска мбоу гимназия №1 Упаковка как источник загрязнения продуктов питания свинцом Цуприкова Мария, ученица 10 класса мбоу гимназия №1 г
iblock -> Урология высшая категория
iblock -> 2. Аннотации рабочих программ дисциплин ооп 040400. 62 «Социальная работа», форма обучения – очная
iblock -> Тест: "Неврология"

Скачать 152.12 Kb.

Поделитесь с Вашими друзьями: