19.3.3. Оксокарбоновые кислоты

Оксокарбоновыми кислотами называют соединения, содер­жащие одновременно карбоксильную и карбонильную группы. Они подразделяются на альдегидо- и кетонокислоты. Наиболее часто встречающиеся в живых системах оксокарбоновые кислоты приведены в табл. 19.5.

Оксокарбоновые кислоты в организме образуются при окис­лении соответствующих гидроксикарбоновых кислот путем их дегидрирования с помощью дегидрогеназ с окисленной формой кофермента НАД⁺:

Оксокарбоновые кислоты сильнее, чем соответствующие гидроксикарбоновые кислоты. Поэтому в биосредах организма (рН = 7) они обычно находятся в виде анионов.

Оксокарбоновые кислоты проявляют свойства, характерные и для кислот, и для карбонильных соединений. Специфические свойства этих кислот обусловлены взаимным влиянием карбо­нильной и карбоксильной (—СООН) групп. Наличие в их молекулах двух и более подобных электроотрицательных групп приводит к большей склонности этих соединений к реак­циям окислительно-восстановительной дисмутации, как внут­ри-, так и межмолекулярным. В результате дисмутации проис­ходит расщепление и образование различных связей, включая межуглеродные.

Реакции с расщеплением связи С—С. В растворе H₂S0₄ пировиноградная кислота подвергается внутримолекулярной дис­мутации с расщеплением связи С—С: в разбавленной H₂S0₄ происходит декарбоксилирование, а в концентрированной - декарбонилирование:

Эти реакции наглядно демонстрируют различные окисли­тельно-восстановительные свойства одних и тех же углеродных атомов в молекуле пировиноградной кислоты в зависимости от условий протекания реакции. По-видимому, в разбавленной H₂S0₄ в реакцию вступает ассоциат пировиноградной кислоты с Н3О⁺, а в концентрированной - катион этой оксокислоты.

В организме пировиноградная кислота также декарбоксилируется, но при этом протекает межмолекулярная дисмутация в ансамбле ферментов, содержащем декарбоксилазу и коферменты НАД+ и HSKoA:

Аналогичная реакция окислительного декарбоксилирования превращает а-оксоглутарат в сукцинилкофермент А в цикле Кребса (разд. 19.4.3).

В отличие от a-оксокарбоновых кислот, декарбоксилирование р-оксокарбоновых кислот протекает легче. Так, ацетоуксусная кислота даже при комнатной температуре и в отсутствие H₂S0₄ самопроизвольно декарбоксилируется, превращаясь в ацетон:

В то же время в тиоэфирахР-оксокарбоновых кислот с ко-ферментом А под действием тиолазы и кофермента А происхо-внутримолекулярная дисмутация, но расщепляется связь , так как восстановителем в этом случае выступает углеродный атом карбонильной, а не карбоксильной группы:

Этой реакцией заканчивается каждый цикл B-окисления жир­ных кислот (разд. 19.4.2).

Реакции с образованием связи С—С. Оксокарбоновые ки­слоты легко вступают в реакцию конденсации альдольного типа. При этом возникновение связи С—С происходит за счет присое­динения (реакция A_N) С-нуклеофила и протона (электрофила) по кратной связи карбонильной группы с образованием гидрокси-производного дикарбоновой кислоты с разветвленным углерод­ным скелетом:

Как видно, это реакция межмолекулярной окислительно-вос­становительной дисмутации, в которой углеродный атом карбо­нильной группы выступает окислителем. Подобная реакция про­текает в цикле Кребса на стадии конденсации оксалоацетата с ацетилкоферментом А (разд. 19.4.3).

Образование связи С—С также происходит при карбоксилиро-вании оксокарбоновых кислот. Так, в митохондриях гидрокарбо­нат-анион взаимодействует с пируватом при участии карбоксилазы и АТФ с образованием оксалоацетата и отщеплением воды:

П ри этом происходит удлинениеуглеродной цепи.

Рассмотренные реакции свидетельствуют о том, что в оксокислотах углеродный атом карбонильной группы проявляет двойственность, выступая и восстановителем, и окислителем. Однако окислительные свойства для него более характерны, особенно в реакциях присоединения по карбонильной группе. Поэтому для оксокарбоновых кислот характерны реакции вос­становления.

Реакция восстановления. Карбонильная группа оксокарбо­новых кислот легко восстанавливается при реакциях гидриро­вания и трансаминирования.

Гидрирование. Пировиноградная кислота, возникаю­щая в мышцах, при недостатке кислорода под действием гидрогеназы с коферментом в восстановленной форме гидрируется с образованием молочной кислоты:

Вследствие накопления молочной кислоты в работающих мышцах возникает характерная боль, которая проходит при отдыхе за счет накопления кислорода и окисления молочной кислоты обратно в пировиноградную. Подобное гидрирование оксокарбоновых кислот происходит при синтезе жирных ки­слот в организме (разд. 19.4.1).

Трансаминирование. Основным методом биосинтеза а-аминокислот из а-оксокислот является реакция трансаминирова­ния, сопровождаемая межмолекулярной окислительно-восстанови­тельной дисмутацией, при которой углеродный атом карбонильной группы выступает окислителем. Под действием трансаминазы с коферментом пиридоксальфосфатом а-оксокислота реагирует с а-аминокислотой, превращаясь в новую а-аминокислоту:

Трансаминирование в организме - обратимый процесс, за счет которого осуществляется взаимообмен оксо- и аминогрупп в биосубстратах (разд. 21.2.4).

Кето-енольная таутомерия. В оксокарбоновых кислотах и их производных значительно повышена протонная подвижность во­дородного атома, связанного с а-углеродным атомом относитель­но карбонильной группы. Это способствует переносу протона на кислородный атом соседней карбонильной группы с возникно­вением енольной формы, находящейся в равновесии с кетонной формой, т. е. прототропной таутомерии кето-енольного типа (разд. 15.2 и 18.2.1). Как уже говорилось, кето-енольная тауто­мерия сопровождается окислительно-восстановительной дисму­тацией, при которой в кетотаутомере углеродный атом карбо­нильной группы выступает окислителем, а а-углеродный атом -восстановителем. В енольной форме эти углеродные атомы вы­полняют противоположные функции.

О ксокарбоновые кислоты в биологических средах (рН = 7) находятся в виде анионов, поэтому кето-енольную таутомерию этих кислот в организме следует рассматривать на их анионах. И в этом случае кето-енольная таутомерия является сложным равновесием, включающим не только кетонный и енольный таутомеры анионов, но и их общий амбидентный анион, отри­цательный заряд которого на единицу больше, чем у самих тау-томеров. В соответствии с законами термодинамики таутомерное равновесие всегда смещено в сторону таутомера с более слабыми кислотными свойствами, а в присутствии сильного основания - в сторону амбидентного аниона. Следовательно, чем сильнее раз­личаются по кислотности таутомеры, тем больше преобладает таутомер со слабыми кислотными свойствами. Так, для пирувата равновесие сильно (> 95 %) сдвинуто в сторону кетотаутомера:

Наличие у соединения таутомерии значительно расширяет и повышает его реакционную способность. Такое соединение спо­собно не только вступать в реакции, характерные для каждого таутомера, но и проявлять еще двойственную реакционную способность, характерную для их общего амбидентного аниона. При этом таутомерная система прежде всего вступает в те реак­ции, которые протекают быстрее (кинетический фактор) и при­водят к более устойчивым продуктам (термодинамический фак­тор). Поскольку все компоненты таутомерной системы находят­ся в равновесии, то убыль реагирующего компонента сразу восполняется за счет других компонентов. Поэтому таутомерная система реагирует как одно целое. В организме время установ­ления равновесия в таутомерной системе уменьшается с помо­щью ферментов-таутомераз, что обеспечивает необходимую ско­рость жизненно важных биохимических реакций.

Перечисленные особенности реакционной способности таутомерных систем позволяют понять разнообразие химических свойств анионов оксокарбоновых кислот в условиях организма.

Анионы оксокарбоновых кислот и их производных легко ацилируются и алкилируются. При этом реакция может проте­кать и по углеродным, и по кислородным центрам, что широко используется при синтезе лекарственных препаратов.

Комплексообразование. Оксокарбоновые кислоты являют­ся активными ди- и полидентатными лигандами и поэтому образуют устойчивые хелаты с ионами-комплексообразователями:

Качественная реакция с раствором FeCl3 на оксокарбоновые кислоты (возникновение интенсивной красно-фиолетовой окра­ски) основана на образовании комплексов их енольными тауто-мерами. Вероятно, как и в случае фенола, ионы Fe³⁺ за счет окислительных свойств способствуют внутрикомплексному об­разованию радикалов (разд. 17.2) и возникновению комплексов с переносом заряда. На реакциях комплексообразования осно­вано и применение оксокарбоновых кислот и их производных в качестве лекарственных препаратов для вывода ионов метал­лов-токсикантов из организма.