Стероиды: структура

1. Базовая структура стероидов I

В основе молекул стероидов лежит структу­ра полициклического насыщенного углево­дорода эстрана, построенного из четырех конденсированных углеродных колец. Мно­гие стероиды содержат боковые углеводо­родные цепи, как, например, приведенный на схеме холестан, являющийся основой многих стеринов (стероидных спиртов).

Б. Пространственная структура стероидов О

Согласно принятой номенклатуре, четыре кольца в молекуле стероидов обозначаются заглавными буквами латинского алфавита А.

2. С, D. Благодаря тетраэдрической ориен­тации валентностей атома углерода структу­ра эстрана в целом не плоская, а складчатая. Три возможнью конформации циклогексана носят названия «кресло», «ванна» и «скру­ченная ванна» (твист-конформация, на схе­ме не приведена). Наиболее часто встреча­ются конформации кресла и ванны. Пятич­ленные кольца часто принимают конформа­цию «конверта». Отдельные алифатические кольца легко переходят из одной конформа­ции в другую даже при комнатной темпера­туре. В молекулах стероидов такие перехо­ды невозможны

Заместители в стероидном коре могут быть расположены в плоскости кольца (е — экваториально) или почти перпендикулярно плоскости (а— аксиально). Если в простран­ственной модели заместители обращены к наблюдателю (в двумерном изображении над плоскостью), то такие связи обозначают сплошной линией ф-положение). Если заме­стители ориентированы от наблюдателя (в двумерном изображении — под плоско­стью), то такие связи изображают пунктир­ной линией (a-положение). Так называемые ангулярные метильные группы при С-10 и С- 13 всегда находятся в р-положении.

Соседние кольца А и В могут быть распо­ложены в одной плоскости (транс-сочлене­ние; 2) или располагаться под углом друг к другу (цис-сочленение; 1). Форма сочлене­ния зависит от положения заместителя (Н) при общем углеродном атоме (С-5), кото­рый может занимать цис- или транс-поло- жение по отношению к ангулярной метиль- ной группе при С-10. Заместители в местах

пересечения отдельных колец обычно нахо­дятся в транс-положен ии. По форме стеро­идный кор напоминает плоский диск. Исклю­чение составляют изогнутые под углом вследствие цис-сочленения колец А и В мо­лекулы зкдистероидов и желчных кислот, а также сердечных гликозидов и токсинов жаб.

Реальное представление о пространст­венной структуре молекул стероидов дает вандерваальсова модель холестерина (3). Четыре кольца образуют жесткий каркас, к которому присоединена относительно гиб­кая боковая цепь.

Стероиды — сравнительно неполярные (гидрофобные) соединения. Благодаря от­дельным полярным группировкам, гидро- кси- или оксогруппе, они могут проявлять амфифильные свойства. Больше всего эти свойства выражены у солей желчных кислот (см. с. 307).

В.Тонкослойная хроматография I

Тонкослойная хроматография (ТСХ) — эф­фективный, преимущественно аналитиче­ский, метод быстрого разделения липидов и других низкомолекулярных веществ (амино­кислот, нуклеотидов, витаминов, лекарст­венных веществ). Исследуемый образец на­носят на тонкий слой силикагеля, закреп­ленный на пластинке из стекла, фольги или пластика (1). Пластинку помещают в хрома­тографическую камеру с небольшим количе­ством растворителя. Под действием капил­лярных сил фронт растворителя продвига­ется по пластинке, увлекая вещества, при­сутствующие в образце (2). Скорость про­движения разделяемых веществ зависит от распределения между неподвижной и под­вижной фазами, т.е. между гидрофильным силикагелем и неполярным растворителем. Хроматографический процесс заканчивают в тот момент,-когда растворитель достигает верхнего края пластинки. Слой силикагеля высушивают, анализируемые вещества про­являют на пластинке с помощью подходя­щих красителей или вУФ-свете (3). Подвиж­ность вещества в данной системе выражают в виде величины R_f„ Сравнивая полученные значения R_f с подвижностью контрольных веществ (свидетелей), идентифицируют со­единения, присутствующие в образце.

ОФ-ТСХ (обращенно-фазовая ТСХ) назы­вается хроматография на неполярном (гид­рофобном) сорбенте с помощью полярного растворителя

Конформации колец Б. Пространственная структура стероидов

холестерин (вандерваальсова модель)

пластинка,

покрытая

тонким

слоем

силикагеля

образец:

смесь

липидов

хроматогра­фическая камера

система

растворителей:

гексан: диэти-

ловый эфир.

муравьиная

кислота

80:80:2

(о:о:о)

диацил- глицери­ны

моноацил-

глицерины

старт

фосфолипиды

1. Нанесение образца 2. Прояаление (разделение)

В.Тонкослойная хромвтография

3. Обнаружение

Стероиды: классификация

Три наиболее важные группы стероидов со­ставляют стерины, желчные кислоты и сте­роидные гормоны. Кроме того, к стероидам относят соединения растительного происхо­ждения обладающие ценными фармаколо­гическими свойствами: стероидные алкало­иды, гликозиды дигиталиса (сердечные гли- козиды) и стероидные сапонины.

А. Стерины I

Стеринами называются стероидные спирты. Все стерины содержат р-гидроксильную группу при С-3 и одну или несколько двой­ных связей в кольце В и боковой цепи. В мо­лекулах стеринов отсутствуют карбоксиль­ные и карбонильные группы.

В организме животных наиболее важным стерином является холестерин В растени­ях и микроорганизмах содержится множест­во родственных соединений, например эр- гостерин р ситостерин стигмвстерин

Холестерин присутствует во всех живот­ных тканях, особенно в нервных тканях. Он является важнейшей составной частью кле­точных мембран, где регулирует их теку­честь (см. с. 219). Запасной и транспортной формами холестерина служат его эфиры с жирными кислотами. Наряду с другими ли­пидами холестерин и его эфиры присутству­ют в составе липопротеидных комплексов плазмы крови (см. с. 273). Холестерин вхо­дит в состав желчи и многих желчных кам­ней. Вопросы биосинтеза, метаболизма и транспорта холестерина обсуждаются в дру­гих разделах (см сс. 175,305).

Нарушение обмена холестерина играет важную роль в развитии атеросклероза, за­болевания связанного с отложением холе­стерина (бляшек) на стенках кровеносных со­судов (кальцинирование) из-за повышенного уровня холестерина в крови. Для предупреж­дения атеросклероза важно, чтобы в пище­вом рационе преобладали продукты расти­тельного происхождения, для которых харак­терно низкое содержание холестерина На­против пищевые продукты животного проис хождения содержат много холестерина, осо­бенно яичный желток, мясо, печень, мозги

Б. Желчные кислоты *

Из холестерина в печени образуются желч­ные кислоты (см с. 307). По химическому

строению эти соединения близки к холесте­рину. Для желчных кислот характерно нали­чие укороченной разветвленной боковой це­пи с карбоксильной группой на конце. Двой­ная связь в кольце В отсутствует, а кольца А и В сочленены в цис-положении (см. с. 61). Стероидный кор содержит в положениях 3, 7 и 12 от одной до трех р-гидроксильных групп.

Желчные кислоты обеспечивают раство римость холестерина в желчи и способству­ют перевариванию липидов (см. с 265) В печени вначале образуются первичные желчные кислоты — холевая и хенодезок- сихолеввя (антроподезоксихолевая). Де- гидроксилирование этих соединений по С-7 микрофлорой кишечника приводит к обра­зованию вторичных желчных кислот — лито­холевой и дезоксихолевой

В. Стероидные гормоны I

Биосинтез стероидных гормонов — процесс не столь заметный в количественном отно­шении — имеет вместе с тем большое фи­зиологическое значение (см. с. 365). Стеро­иды образуют группу липофильных сигналь­ных веществ, регулирующих обмен веществ рост и репродуктивные функции организма (см. с. 363)

В организме человека присутствуют шесть стероидных гормонов: прогестерон, корти­зол, альдостерон, тестостерон, эстради- ол и квльцитриол (устаревшее название кальциферол). За исключением кальцитрио- ла эти соединения имеют очень короткую бо­ковую цепь из двух углеродных атомов или не имеют ее вовсе Для большинства соедине­ний этой группы характерно наличие оксо- группы при С-3 и сопряженной двойной связи С-4/С-5 в кольце А. Различия наблюдаются в строении колец С и D. В эстрадиоле кольцо А ароматическое и, следовательно, гидро­ксильная группа обладает свойствами фе­нольной ОН-группы. Капьцитриол отличается от гормонов позвоночных, однако также по­строен на основе холестерина. За счет свето­зависимой реакции раскрытия кольца В каль- цитриол образует так называемый «секосте- роид» (стероид с раскрытым кольцом)

Экдизон — стероидный гормон насеко­мых — представляет собой более раннюю в эволюционном отношении форму стерои­дов. Стероидные гормоны, выполняющие сигнальную функцию, встречаются также в растениях.

Аминокислоты: физические и химические свойства

А. Биологические функции аминокислот •

В живых организмах аминокислоты выпол­няют множество функций.

1. Структурные элементы пептидов и белков. В состав белков входят 20 про­теиногенных аминокислот (см. с. 67), ко­торые кодируются генетическим кодом и постоянно обнаруживаются в белках (см. с 244). Некоторые из них подвергаются посттрансляционной модификации, т.е. могут быть фосфорилированы, ацилиро ваны или гидроксилированы (см. сс. 122, 334)

2. Структурные элементы других природ­ных соединений. Аминокислоты и их производные входят в состав кофермен- гов(см. сс. 110. 112), желчных кислот (см. с 306) антибиотиков (см. с. 250).

3. Переносчики сигналов. Некоторые из аминокислот являются нейромедиатора­ми (см. с. 342) или предшественниками нейромедиаторов, медиаторов или гор­монов (см. с. 368).

4. Метвболиты. Аминокислоты — важней­шие, а некоторые из них жизненно важные компоненты питания (см. с. 348). Некото­рые аминокислоты принимают участие в обмене веществ, например, служат доно­рами азота (см. сс. 191,194) Непротеино­генные аминокислоты образуются в каче­стве промежуточных продуктов при био­синтезе и деградации протеиногенных аминокислот (см. сс. 399-402) или в цикле мочевины (см. с. 184).

Б. Стереохимия аминокислот I

Природные аминокислоты являются 2-ами- нокарбоноаыми кислотами (или а-амино- кислотами, в отличие от р-аминокислот, та­ких, как р аланин и таурин). У а-аминокислот при атоме С -2 (С_и) имеются четыре различ­ных заместителя: карбоксильная группа, аминогруппа, водородный атом и боковая цепь R. Таким образом, все « аминокисло­ты, кроме глицина, имеют асимметрический (хиральный) а-углеродный атом и существу­ют в виде двух энвнтиомеров (L- и D ами­нокислот см. с. 16). Протеиногенные ами­нокислоты относятся к L-ряду. D-Аминокис­

лоты встречаются в бактериях, например в составе муреинов (см. с. 46), и в пептидных антибиотиках.

На плоскости хиральные центры принято изображать с помощью проекционных формул, предложенных Фишером. Про­екционные формулы выводятся из трехмер­ной структуры следующим образом: тетра­эдр поворачивают таким образом, чтобы наиболее окисленная группа (в случае ами­нокислот карбоксильная) была ориентиро­вана вверх. Затем вращают до тех пор, пока линия, соединяющая СОО^- и R (окрашена в красный цвет), не окажется в плоскости сто­ла. В этом положении у L-аминокислот NH3⁺- группа будет направлена влево, а у D-ами- нокислот — вправо.

В. Кривая титрования гистидина ►

В аминокислотах содержатся по крайней мере две ионогенные группы и, следова­тельно, их суммарный заряд зависит от pH среды. У карбоксильных групп при С„ рКа ле­жат в диапазоне 1 8-2,8, т.е.кислотные свой­ства у этих групп выражены сильнее, чем у незамещенных монокарбоновых кислот. рК_а а-аминогрупп также различны и составляют 8,8-10,6. Кислые и основные аминокислоты несут в боковой цепи дополнительные ионо­генные группы (рКа этих групп приведены на с. 67). Суммарный заряд пептидов и белков зависит главным образом от ионогенных групп боковых цепей, поскольку а-СООН- и а-Г\1Нг-группы принимают участие в образо вании пептидных связей.

Зависимость заряда аминокислоты от pH среды хорошо видна на примере гистиди­на. В гистидине наряду с карбоксильной и аминогруппой при С„ (рК1,8 и 9,2 соответ­ственно) присутствует имидазольный оста­ток С рКа 6,0. Поэтому при повышении pH среды заряд гистидина изменяетя от +2 до -1. При pH 7,6 суммарный заряд равен нулю, несмотря на то что в молекуле гистидина имеются две полностью ионизированные группы. Величина pH, при которой суммар­ный заряд равен нулю, называется изо- электрической точкой

В изоэлектрической точке гистидин яв­ляется цвиттер-ионом т. е. молекула об­ладает свойствами как аниона, так и катио­на В нейтральной области pH большинство аминокислот также являются цвиттер- ионами.