Лекция № 8 биологически важные гетероциклические соединения

ЦЕЛИ ЛЕКЦИИ

Обучающая – Формирование знаний о классификации, номенклатуре, изомерии биологически важных азотсодержащих гетероциклических соединений и их реакционной способности, роли в организме и применении в медицинской практике.

Развивающая – Расширение кругозора обучающихся на основе интеграции знаний; развитие логическое мышление.

Воспитательная – Содействие формированию у обучающихся устойчивого интереса к изучению дисциплины «Биоорганическая химия».

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Классификация гетероциклических соединений.

2. Пятичленные гетероциклы с одним етероатомом.

3. Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.

4. Шестичленные гетероциклы с одним и двумя гетероатомами.

5. Конденсированные гетероциклы.

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ

Классификация гетероциклических соединений

Гетероциклическими соединениями называются соединения, в цикле которых кроме атомов углерода содержатся атомы других элементов (гетероатомы).

Гетероциклические соединения входят в состав важнейших природных веществ: красящих веществ крови и растений (гемина и хлорофилла), нуклеиновых кислот, многих витаминов, антибиотиков, алкалоидов и др. Практически вся фармацевтическая химия является химией гетероциклических соединений.

1. В зависимости от природы гетероатома различают азот-, кислород- и серосодержащие гетероциклические соединения.

2. По числу атомов в гетероцикле их делят на трех-, четырех-, пяти-, шестичленные и т.д.

3. По степени насыщенности все гетероциклические соединения могут быть отнесены к насыщенным, ненасыщенным и ароматическим.

Наибольшее значение имеют ароматические пяти-, шестичленные и конденсированные гетероциклические соединения. Для них типична высокая устойчивость гетероциклического кольца.

Гетероциклические соединения чаще всего носят тривиальные названия.

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом

В эту группу входят пиррол, фуран и тиофен.

Пиррол

Пиррольное ядро входит в состав многих биологически важных соединений.

Производные пиррола:

Индол – конденсированное гетероциклическое соединение, в состав которого входят бензольное и пиррольные ядра. Образуется при гниении белков.

Индол

Cкатол

Скатол – ядовитое вещество, образуется при гниении белков.

Триптофан

Триптофан – -аминокислота, которая входит в состав полипептидов растительных и животных организмов.

Важнейшим направлением в метаболизме триптофана является гидроксилирование, в результате чего получается 5-гидрокситриптофан, который при декарбоксилировании преобразуется в серотонин (биогенный амин).

HO –

5-окситриптофан Серотонин

Серотонин – медиатор нервных процессов в ЦНС. Нарушение его нормального обмена в организме ведет к шизофрении.

В норме серотонин окисляется в (5-гидрокси--индолил)-уксусную кислоту и выводится с мочой.

HO

Серотонин (5-Гидрокси--индолил)-

уксусная кислота

Другой путь метаболизма триптофана – превращение его в -индолилуксусную кислоту (гетероауксин).

фермент

Триптофан Триптамин

Триптамин -Индолилуксусная кислота

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

Гемоглобин эритроцитов состоит из гема и растворенного в воде белка глобина.

Состав гема:

1. 4 пиррольных цикла;

2. 4 метиновых мостика (- СН=);

3. 4 радикала метил (- СН₃);

4. 2 радикала винил (- СН=СН₂);

5. 2 остатка пропионовой кислоты (- СН₂-СН₂-СООН);

6. Ион Fe²⁺.

Гем

Ион Fe²⁺ находится в центре плоского порфиринового квадрата и связан с четырьмя атомами азота пиррольных колец. Пятым лигандом иона Fe²⁺ является остаток аминокислоты гистидина, шестое координационное место занимает кислород. Биологическая роль гемоглобина заключается в переносе кислорода в животном организме от легких к тканям. Помимо кислорода шестое координационное место могут занимать другие лиганды. В частности, действие оксида углерода (II) как дыхательного яда связано с тем, что он гораздо прочнее связывается с ионом Fe²⁺, чем кислород и, таким образом, блокирует действие гемоглобина.

Фуран

Кольцо фурана входит в состав лекарственных средств, например, фурацилина и фуразолидона. Они эффективны при гнойно-воспалительных процессах, вызываемых микроорганиз-мами (дизентерии, брюшном тифе и т.д.).

Тиофен

Производные тиофена входят в состав ихтиоловой мази, оказывающей противовоспалительное, антисептическое и местное обезболивающее действие. Производным тетрагидротиофена является биотин (витамин Н), отсутствие которого в пище нарушает обмен белков и жиров в организме и ведет к кожным заболеваниям.

Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

Имидазол

Имидазольное кольцо входит в состав пуриновых оснований, некоторых аминокислот и алкалоидов.

Гистидин

Гистидин входит в состав многих белков, в том числе глобина.

Гистидин в организме подвергается декарбоксилированию.

фермент

- CO₂

Гистидин Гистамин (биогенный амин)

Тиазол

Тиазольный цикл входит в состав витамина В₁ (тиамина) и кофермента кокарбоксилазы.

Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Пиридин

Пиридиновое ядро встречается во многих алкалоидах, входит в состав некоторых витаминов группы В.

Никотиновая кислота

Никотиновая кислота и ее амид - никотинамид получили известность как две формы витамина РР, применяющегося в медицине для лечения пеллагры.

Амид никотиновой кислоты

Никотинамид является составной частью ферментных систем, ответственных за окислительно-восстановительные процессы в организме, а диэтиламид никотиновой кислоты - кордиамин служит эффективным стимулятором ЦНС.

Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

Пиримидин

Производные пиримидина объединяются в группу пиримидиновых оснований. К ним относятся урацил, тимин, цитозин.

Пиримидиновые основания являются структурными компонентами нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). Для пиримидиновых оснований характерна лактим-лактамная таутомерия.

Лактимы - гидроксильные соединения, в которых оксигруппа стоит при атоме углерода с двойной связью.

Такие соединения крайне неустойчивы, в них происходит внутримолекулярная перегруппировка атомов: разрывается двойная связь, атом водорода из гидроксильной группы переходит к смежному по двойной связи атому азота.

– С =N –  –C – N –

OH O H

Лактимная форма Лактамная форма

Цитозин (4-амино-2-оксипиримидин)

Лактимная форма Лактамная форма

Урацил (2,4-диоксипиримидин)

Лактимная форма Лактамная форма

Тимин (5-метилурацил)

Тиамин (витамин В₁)

Витамин В₁ входит в структуру кофермента кокарбоксилазы.

Фрагмент Фрагмент

пиримидина тиазола

Оротат калия

Оротат калия - стимулятор обменных процессов в организме.

Метилтиоурацил

Метилтиоурацил применяется при лечении заболеваний, связанных с нарушением функции щитовидной железы.

Конденсированные системы гетероциклов

Гетероциклические системы, состоящие из двух гетероциклов и имеющие 2 общих атома углерода, называются конденсированными.

Пурин

Пуриновое ядро является фрагментом некоторых алкалоидов, нуклеиновых кислот, нуклеотидных коферментов и т.д.

Ядро Ядро

пиримидина имидазола

К пуриновым основаниям относятся: аденин, гуанин. Они входят в состав РНК, ДНК.

Аденин (6-аминопурин)

Аденин является составной частью АТФ.

Гуанин (2-амино-6-оксипурин)

Лактимная форма

При метаболизме нуклеиновых кислот в организме образуются гипоксантин, ксантин и мочевая кислота.

Гипоксантин (6-оксипурин)

Лактимная форма Лактамная форма

Ксантин (2,6-диоксипурин)

Лактимная форма Лактамная форма

Производными ксантина являются такие лекарственные препараты, как теофиллин, теобромин, кофеин и др.

Мочевая кислота (2,6,8-триоксипурин)

Лактимная форма Лактамная форма

Мочевая кислота – конечный продукт метаболизма пуриновых оснований в организме. Она выделяется с мочой в количестве0,5-1 г в сутки. Соли мочевой кислоты называются уратами. При некоторых нарушениях в организме они откладываются в суставах, например, при подагре, а также в виде почечных камней. В этих случаях для лечения применяют неорганические соли лития (Li₂CO₃), которые образуют хорошо растворимые соли мочевой кислоты, быстро выделяющиеся из организма.