3.3.3. Гидрокси- и аминокислоты
Гидроксикислотами называют соединения, содержащие в молекуле одновременно гидроксильную и карбоксильную группы. Аминокислоты содержат в молекуле аминогруппу и карбоксильную группу.
В алифатическом ряду по взаимному расположению функциональных групп различают α-, β-, γ- и т. д. гидрокси- и аминокислоты. Буквой греческого алфавита указывают положение другой функциональной группы относительно карбоксильной, при этом отсчет ведется от ближайшего к карбоксильной группе атома углерода, т. е. от атома С-2. Отметим, что в заместительной номенклатуре для замещенных карбоновых кислот локанты α-, β-, γ- и т. д. не употребляются.
Кислотно-основные свойства. В гетерофункциональных соединениях в зависимости от природы функциональных групп и их местоположения в молекуле возможно усиление или, наоборот, ослабление некоторых свойств, характерных для монофункциональных соединений. Например, кислотность гидроксикислот выше, чем незамещенных кислот. Аминокислоты, содержащие одновременно кислотные и основные фунциональные группы, проявляют амфотерные свойства, т. е. способность взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями. В нейтральных водных растворах или кристаллическом состоянии аминокислоты существуют преимущественно в форме внутренних солей (диполярных ионов), как показано на примере γ-аминомасляной кислоты.
α-Гидрокси- и α-аминокислоты. У α-гидроксикислот и α-аминокислот функциональные группы близки, но внутримолекулярного взаимодействия между ними не происходит из-за неустойчивости трехчленных циклов, которые могли бы при этом образоваться. При нагревании α-гидрокси- и α-аминокислоты претерпевают межмолекулярную циклизацию с образованием продуктов, называемых соответственно лактидами и дикетопиперазинами (последнее - от названия шестичленного гетероцикла с двумя атомами азота - пиразина).
Лактиды содержат две сложноэфирные группы, дикетопиперазины - две амидные группы.
Лактиды и дикетопиперазины, являясь сложными эфирами или амидами соответственно, в условиях кислотного или основного ката- лиза способны гидролизоваться с образованием исходных α-гидрокси- или α-аминокислот.
Особое свойство α-гидроксикислот заключается в их способности разлагаться при нагревании в присутствии минеральных кислот с образованием карбонильных соединений и муравьиной кислоты.
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.
β-Гидрокси- и β-аминокислоты. Характерное общее свойство этих гетерофункциональных кислот заключается в способности к элиминированию молекулы воды или соответственно аммиака с образованием α,β-ненасыщенных кислот.
Реакции элиминирования протекают в мягких условиях. Это объясняется высокой протонной подвижностью α-атома водорода, обусловленной электронным влиянием двух электроноакцепторных групп (Х и СООН).
γ-Гидрокси- и γ-аминокислоты. Эти кислоты, как и кислоты с δ-расположением функциональных групп, при нагревании претерпевают внутримолекулярную циклизацию. Из гидроксикислот при этом образуются циклические сложные эфиры - лактоны, из аминокислот - циклические амиды - лактамы. Лактоны легко образуются уже при незначительном нагревании, а также в кислой среде.
Принципиально так же происходит внутримолекулярное взаимодействие амино- и карбоксильной групп в γ- и δ-аминокислотах.
Лактоны и лактамы, будучи соответственно сложными эфирами и амидами, гидролизуются в кислой или щелочной среде.
4-Гидроксимасляная кислота (традиционно называемая γ-гидроксимасляной кислотой, ГОМК) применяется в виде натриевой соли как снотворное средство, а также в анестезиологии.
4-Aминомасляная кислота (ГАМК - сокращение от γ-аминомасляной кислоты) принимает участие в обменных процессах, происходящих в головном мозге, является нейромедиатором. В медицинской практике под названием гаммалон, или аминалон, применяется в качестве ноотропного средства.
Важное значение для медицины имеют производные «циклической формы ГАМК» - ее лактама (γ-бутиролактам, или пирроли- дон-2). Производное пирролидона-2 под названием пирацетам (или ноотропил) рассматривается как первый представитель ноотропных средств.
Полимер N-винилпирролидона-2-поливинилпирролидон в виде водного раствора применяется в качестве заменителя синовиальной жидкости.
Многоосновные гидроксикислоты. Рассматриваемые в этом разделе яблочная, лимонная, изолимонная кислоты, а также щавелевоуксусная и рассмотренные ранее янтарная и фумаровая кислоты являются участниками цикла трикарбоновых кислот, называемого также циклом лимонной кислоты, или циклом Кребса. Это универсальный этап окислительного катаболизма углеводов и других соединений в присутствии кислорода.
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. В нижеприводимом изложении используются только их сокращенные наименования НАД+ и НАДН. Следует учитывать, что с участием НАД+ осуществляются окислительные процессы, а с участием НАДН - восстановительные.
Яблочная кислота в значительных количествах содержится в незрелых яблоках, рябине, фруктовых соках. В организме L-яблочная кислота образуется путем гидратации фумаровой кислоты.
Лимонная кислота содержится в плодах цитрусовых (лимоны, апельсины), винограде, крыжовнике, а также в листьях табака.
Биосинтез лимонной кислоты происходит по типу альдольной конденсации из щавелевоуксусной кислоты и ацетилкофермента А.
При последующей дегидратации лимонной кислоты как β-гидроксикарбоновой кислоты получается цис-аконитовая кислота, которая далее гидратируется с образованием изолимонной кислоты.
Винные кислоты - представители дигидроксидикарбоновых кислот, содержат два асимметрических атома углерода и поэтому должны были бы существовать в виде четырех стереоизомеров, но в действительности известны три стереоизомера.
D-(+)-Bинная кислота, или обыкновенная винная кислота, известна под названием виннокаменной кислоты. Она содержится в винограде, рябине. Кислая калиевая соль трудно растворима в воде. Она осаждается в винных бочках в виде так называемого винного камня. При нейтрализации этой соли гидроксидом натрия образуется смешанная калиево-натриевая соль. Действием на нее гидроксида меди (II) в щелочной среде получают жидкость Фелинга - реактив для обнаружения альдегидной группы.
L-(-)-Винная кислота в очень небольшом количестве содержится в виноградных винах.
Мезовинная кислота в природе не встречается; она частично образуется при длительном нагревании в щелочном растворе любого из ее стереоизомеров.
Виноградная кислота (т. пл. 205oС) представляет собой рацемат d- и l-винных кислот, оптической активностью не обладает и отличается по физическим свойствам от индивидуальных энантиомеров.