Биологически активные органические соединения

Реакция имеет большое значение в регуляции количества свободных SH групп и дисульфидных связей в белках. Окислители уменьшают содержание свободных тиольных групп, а восстановители - уменьшают число дисульфидных связей.

Тиольные группы в белках играют важную роль в выполнении белками ферментативных и других функций, например, активная форма гормона инсулина содержит две дисульфидные связи. Прикрепление внеклеточных белков к мембране клетки также может осуществляться с участием дисульфидных групп ( белок фибронектин).

В биохимических реакциях окисления и восстановления принимают участие ферменты

– оксидоредуктазы. Белковые молекулы не могут осуществлять перенос электронов, поэтому в составе ферментов обязательно присутствуют органические молекулы или катионы металлов, способные передавать электроны , то есть существовать в окисленной и восстановленной форм е (витамин С , липоевая кислота, кофермент НАД+ / НАДН , ФАД / ФАДН2 , гем, содержащий ионы железа (+2) / ( +3), ионы меди ( +1) / ( +2 ) и др .)

Наиболее распространенным переносчиком атомов водорода является кофермент НАД+ в реакциях окисления и кофермент НАДН в реакциях восстановления (большинство реакций обратимы) .

Окисление этанола и других алкоголей алкогольдегидрогеназой – первый этап метаболизма экзогенных спиртов, попадающих в организм в составе лекарственных препаратов, алкогольных напитков.

Превращения молочной и пировиноградной кислот друг в друга происходит во всех тканях организма. В анаэробных (бескислородных) условиях образование лактата – конечный этап метаболизма глюкозы. Присутствие кислорода снижает образование молочной кислоты и стимулирует ее окисление в пировиноградную, процесс весьма важен для сердечной мышцы, печени.

фермент лактатдегидрогеназа

СН3 –СН – СООН + НАД+ <————————> СН3 – С – СООН + НАДН + Н +

2.1.2 Механизм реакции окисления с участием кофермента НАД +

Окисляемое вещество отдает два атома водорода, один – в виде иона гидрида, другой- в виде протона Атом углерода отдает два электрона химический связи атому водорода, который превращается в отрицательно заряженный анион – гидрид Н –. . Протон уходит из гидроксильной группы и оставляет два электрона связи. Эти да электрона образуют двойную связь.

21

При дегидратации лимонная кислота превращается в аконитовую (в реакциях цикла Кребса в цис-аконитовую). Гидратация цис - аконитовой сопровождается образованием изомераизолимонной кислоты (направление реакции соответствует правилам реакции А Е - электрофильного присоединения)

Лимонная и изолимонная кислоты отличаются положением гидроксигруппы: цитрат – третичный спирт, а изоцитрат – вторичный.

NB! Только у изолимонной кислоты гидроксигруппа может окисляться и эта реакция используется в цикле Кребса.

Лимонную кислоту используют в пищевой промышленности при изготовлении соков, напитков, кондитерских изделий, в медицинедобавка в производстве ряда лекарственных препаратов ( цитрамон – против головной боли), стерильный 4-5%раствор цитрата натрия используют для консервирования крови.

Щавелевоуксусная и альфа-кетоглутаровая кислоты – оксодикарбоновые кислоты

Щавелевоуксусная кислота (2- оксобутандиовая, оксоянтарная, ЩУК) Получила свое название в связи с тем, что ее скелет можно условно разделить на две части (фрагменты щавелевой и уксусной кислот)

Существует в кетоновой и енольной формах. Енольные формы - кристаллические вещества, более устойчивы, существуют в виде двух изомеров : цис- и транс.

В растворе в интервале значений рН 6-10 образуется дианион (диссоциация по обеим

24

α–Кетоглутаровая (2-оксопентандиовая) – природное кристаллическое вещество, растворимое в воде. В природе два пути образования: в цикле Кребса и из глутаминовой аминокислоты. Возможна кето - енольная таутомерия .

НООС- СН2-СН2-С –СООН <———> НООССН2- СН=С-СООН

альдегид, который в цикле Кребса сразу ферментативно окисляется в янтарную кислоту. Напоминаем, что реакция декарбоксилирования in vitro возможна только для α- и ß- кетокислот ( но не гидроксикислот или енольной формы).

декарбоксилирование и окисление

НООССН2- СН2 -С( О)-СООН ———>НООС –СН2 –СН2-СООН + СО2

янтарная кислота

Дикарбоновые кислоты.

Янтарная кислота (бутандиовая, сукцинат) НООС-СН2 -СН2 –СООН, хорошо растворима в воде, биоактивное вещество, относится к насыщенным дикарбоновым кислотам. Выделена из янтаря. Обнаружена в клетках растений, в тканях всех животных, содержится в митохондриях. Один из компонентов реакций цикла Кребса. Превращение in vivo янтарной кислоты в фумаровую является примером обратимой реакции дегидрирования ( окисления) с участием активированных атомов водорода СН2- кислотного центра и стереоспецифичной реакции, поскольку образуется только один изомер, имеющий транс-строение.

Сложная молекула флавинадениндинуклеотида (ФАД ) является окислителем ( аналогично молекуле НАД +), содержит в своем составе рибофлавин - витамин В2.

щавелевоуксусная кислоты, аминокислота аспарагиновая.

Все перечисленные кислоты превращаются друг в друга , обеспечивая энергетический и пластический обмен в клетке :

янтарная ↔ фумаровая ↔ яблочная ↔ щавелевоуксусная ↔ аспарагиновая.

| ……последовательность реакций цикла Кребса…………|

В клетках животных и человека янтарная кислота вместе с аминоуксусной кислотой (глицином) необходимы для синтеза сложной гетероциклической системы - гема., который состоит из 4 циклов пиррола.

25

Соль янтарной кислоты –сукцинат натрияприменяется как препарат, обладающий общим стимулирующим действием и выпускается в нескольких лекарственных формах: «Сукцинат Кардиа» - для профилактики нарушения сердечной деятельности , «Сукцинат Геронто» - для пожилого возраста, «Сукцинат Бэби» - для детей.

Бутендиовые кислоты – ненасыщенные дикарбоновые кислоты.

К ним относятся малеиновая (цис - бутендиовая) и фумаровая (транс - бутендиовая)

кислоты – геометрические изомеры, кристаллические вещества. Малеиновая кислота хорошо растворима в воде, а фумароваятрудно.

Фумаровая кислотабиологически активное соединение - содержится в грибах, лишайниках, клетках растений, выделена из повилики (Fumaria officinalis), в тканях животных и человека образуется в митохондриях в цикле Кребса. Малеиновая кислотатоксичное соединение для животных и человека, в природе не обнаружена.

Не может быть катализатора, осуществляющего обратный переход фумаровой кислоты в малеиновую.

В ферментативных реакциях in vivo присоединение воды (гидратация) к фумаровой кислоте приводит к образованию одного определенного пространственного изомера яблочной кислоты (D или L) .

НООССН=СН - СООН + НОН — (фермент ) ———> НООС - СН –СН 2– СООН

|

ОН

яблочная кислота ( в биохимии называют – малат)

Гидроксидикарбоновые кислоты (содержат две карбоксильные группы)

Моногидроксидикарбоновая кислота – 2-гидроксибутандиовая (оксиянтарная,.

яблочная кислота, малат) – биологически активное соединение, присутствует в тканях животных, человека, в растениях (много в рябине, барбарисе). Впервые выделена К.Шееле в 1785 г. из незрелых яблок

НООС – СН2 – СН – СООН

|

ОН

26

Существует в виде двух стереоизомеров и рацемической смеси. L-малат образуется в цикле Кребса. Присутствие гидроксильной группы делает возможным две реакции: элиминирования и окисления.

Обратимая реакция элиминирования (дегидратации) приводит к образованию более устойчивого транс-изомера бутендиовой кислоты – фумаровой. В условиях in vivo эта реакция происходит в процессе цикла Кребса в обратном направлении: из фумаровой кислоты образуется яблочная..

НООС-СН( ОН ) -СН2 –СООН <——фермент ——> НООС-СН=СН-СООН + Н2 О

щавелевоуксусная кислота ( ЩУК)

Все субстраты цикла Кребса являются достаточно сильными кислотами, более сильными по сравнению с угольной кислотой, и вносят заметные изменения в состояния кислотноосновного равновесия в клетке и организме.

2.2.3 Биоактивные вещества -ингибиторы цикла Кребса

Фторуксусная кислота СН2FСООН - структурный аналог уксусной кислоты, блокирует реакции цикла Кребса и является поэтому высоко токсичным соединением для организма человека и животных. Физиологическое действие проявляется в поражениях нервной системы и нарушении сердечной деятельности вплоть до летального исхода. Фторацетат калия является токсическим началом ряда ядовитых растений, произрастающих в Африке.( присутствие галогенов в биологически активных природных соединениях – весьма редкое явление! ) Бариевая соль фторуксусной кислотыодно из самых активных средств в борьбе с грызунами, а 5 мг кислоты на 1 кг массы растений полностью уничтожает тлю, поразившую эти растения.

27

Малеиновая кислота ( см. в разделе фумаровая кислота)

Малоновая кислота (пропандиовая, малонат) НООС-СН2-СООН содержится в свекольном соке, в организме человека образуется в цитоплазме в связанном с белками – ферментами виде как нормальный продукт в процессе биосинтеза высших карбоновых кислот.

Однако обнаружен еще один патологический путь образования малоновой кислоты при усиленном окислении липидов мембран клеток, который получил название «перекисное окисление липидов» , или сокращенно «ПОЛ». Этот очень важный для понимания жизнедеятельности процесс изучается подробно в курсе биохимии. Малоновая кислота

Кребса., на котором происходит превращение янтарной кислоты в фумаровую . Нарушение цикла Кребса сопровождается снижением или прекращением выработки АТФ.

млекопитающих до 4г/ кг, общее содержание около 125 г. У человека скорость обмена

В составе АТФ присутствуют разные типы химических связей:

-N -β- гликозидная

-сложноэфирная

-две ангидридные( в биологическом отношении макроэргические)

Вусловиях in vivo гидролиз макроэргической связи АТФ сопровождается выделением

энергии( около 35 кДж/ моль), которая обеспечивает другие энергозависимые биохимические процессы.

АТФ + Н2О —фермент АТФгидролаза——> АДФ + Н3 РО4

В водных растворах АДФ и АТФ неустойчивы. При 00 С АТФ стабильна в воде всего несколько часов, а при кипячении в течение 10 мин.

28

Под действием щелочи два концевых фосфата( ангидридные связи) гидролизуются легко, а последний( сложноэфирная связь) - трудно. При кислотном гидролизе N- гликозидная связь разрушается легко.

2.2. 5 Строение коферментов оксидоредуктаз

Никотинамиддинуклеотид ( НАД +), никотинамидинуклеотидфосфат ( НАДФ +)

Динуклеотиды НАД +, НАДФ + были открыты в исследованиях всемирно известных биохимиков О.Г. Варбурга, Г. фон Эйлера, Ф. Шленка в 1935-1936 гг. Коферменты НАД +, НАДФ + состоят из двух нуклеотидов, образованных никотинамидом и аденином , связанных с рибофуранозой N-β-гликозидной связью

Оба нуклеотида связаны посредством ангидридной связи между двумя фосфатами – эта связь имеет характер макроэргической.

В организме человека известно более 150 ферментов оксидоредуктаз (дегидрогеназ )в составе которых находятся НАД +, НАДФ + . Биологические функции НАД + и НАДФ + имеют отличия: роль НАД + связана в большей степени с энергетическими процессами в клетке, а НАДФ + - с реакциями пластического обмена.

На рисунках представлены : окисленная форма кофермента НАД+ и восстановленная форма кофермента НАДФН.

Сравните отличия в химическом строении пиридинового цикла окисленной и

восстановленных форм, отметьте положение остатка фосфорной кислоты в НАДФН ( НАДФ +)

кофермент НАД+ - окисленная форма

29

кофермент НАДФН - восстановленная форма

Липоевая кислота

Липоевая кислота , содержащая две тиольные группы, необходима для нормального прохождения реакций цикла Кребса во всех аэробных тканях организма, высокое соднржание отмечено в печени, миокарде, почках. Используют как лекарственный препарат в профилактических целях и при заболеваниях: атеросклерозе, гепатитах, диабете, ожирении.

Аскорбиновая кислота (витамин С)

Аскорбиновая кислота — лактон L- гулоновой кислоты, синтезируется in vivo из глюкозы в клетках животных и растений.(Лактонэто циклический сложный эфир). Человек, некоторые приматы и морские свинки потеряли способность синтезировать аскорбиновую кислоту. Бесцветные кристаллы, растворимые в воде, имеет резкий кислый вкус. Водный раствор имеет кислую среду, с величиной рН около 3. В восстановленной форме содержит две енольные гидроксигруппы, обладающие

(дегидроаскорбиновой кислотой, ДАК), которые обратимо переходят друг в друга в окислительно-восстановительных реакциях.

30