Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

По взаимному расположению функциональных групп гидроксикислоты подразделяются на а-, Р-, у-кислоты и т. д:

Многие гидроксикислоты, например молочная, яблочная, винная, изолимонная, имеют в молекуле хиральные центры, вследствие чего для них характерна оптическая изомерия (разд. 15.2). Так, молочная кислота существует в трех формах: две оптически активные, т. е. энантиомеры (зеркальные изоме­ ры), а третья - оптическая неактивная, являющаяся рацемиче­ ской смесью энантиомеров. Молочная кислота, выделенная из мышечной ткани, называемая мясо-молочной кислотой, явля­ ется L-энантиомером. D-Молочная кислота образуется из саха­ ров при помощи особых бактерий-возбудителей брожения. Под действием молочнокислых бактерий в прокисшем молоке, при созревании сыров, при квашении овощей и в процессе силосо­ вания образующаяся молочная кислота является рацемической смесью обоих энантиомеров и не проявляет оптической актив­ ности:

СООН СООН

н — с — о н н о — с — н

"V

D,L-молочная кислота ф,Ь-рацемат)

виноградная кислота ф,Ь-рацемат)

Яблочная кислота подобно молочной также существует в трех формах: D-энантиомер, L-энантиомер и их D, L-рацемат.

Молекула винной кислоты содержит два одинаковых хираль­ ных центра, между которыми может проходить плоскость симмет­ рии этой молекулы. Поэтому винная кислота в природе сущест­

4 8 8

вует в четырех формах: D-винная, L-винная, DjL-рацемат, на­ зываемый виноградной кислотой, а также мезовинная кислота, являющаяся оптически неактивным стереоизомером вследствие внутримолекулярной компенсации из-за симметричности ее структуры. Оптические изомеры гидроксикислот отличаются не только физическими свойствами, но и тем, что их биологические и физиологические функции различны. В организме обычно присутствует один стереоизомер гидроксикислоты.

Среди специфических свойств гидроксикислот прежде всего следует отметить их склонность к реакции дегидратации при на­ гревании. При этом дегидратация для а-, (3- и у-гидроксикислот происходит различно.

а-Гидроксикислоты дегидратируются межмолекулярно, при этом спиртовые группы взаимодействующих молекул взаимно ацилируются карбоксильными группами этих кислот с образо­ ванием устойчивых циклических сложных эфиров, называемых лактидами (от латинского названия молочной кислоты):

В этой электрофильно-нуклеофильной реакции каждая молеку­ ла за счет спиртовой группы выступает нуклеофилом, а за счет карбоксильной группы - электрофилом. Лактиды, как и слож­ ные эфиры, при кипячении с водой в присутствии кислот или щелочей гидролизуются с образованием исходных кислот.

Р-Гидроксикислоты при нагревании дегидратируются внутримолекулярно за счет протона а-метиленовой группы, имею­ щего повышенную подвижность, образуя а,Р-непредельные ки­ слоты:

Эта реакция сопровождается внутримолекулярной окислитель­ но-восстановительной дисмутацией за счет углеродных атомов. Подобные реакции дегидратации протекают в организме при участии дегидратаз. Они имеют место при Р-окислении жирных кислот (разд. 19.4.2) и дегидратации лимонной кислоты в цик­ ле Кребса (разд. 19.4.3).

у- и 5-Гидроксикислоты, вследствие пространственной бли­ зости —ОН и СООН-групп, очень неустойчивы и легко отщеп­ ляют молекулу воды вследствие внутримолекулярного ацили­ рования спиртовой группы с образованием устойчивых пяти- и

4 8 9

Наличие в гидроксикислотах двух или более электроотрица­ тельных групп способствует реакциям окислительно-восстанови­ тельной дисмутации, так как в их молекулах увеличивается чис­ ло углеродных атомов, имеющих промежуточные степени окисле­ ния. Внутримолекулярная окислительно-восстановительная дисмутация а-гидроксикислот происходит при их нагревании в при­ сутствии H2S04 и сопровождается разрывом связи С—-С. При этом образуются муравьиная кислота и соответствующее карбо­ нильное производное - альдегид или кетон:

Лимонная кислота в этих условиях, наряду с муравьиной кислотой, образует ацетондикарбоновую кислоту, которая в ре­ зультате внутримолекулярной окислительно-восстановительной дисмутации легко декарбоксилируется с образованием ацетона:

Приведенные реакции еще раз демонстрируют, что углерод­ ный атом карбоксильной группы может быть и окислителем (первая реакция), и восстановителем (вторая реакция).

4 9 0

В организме гидроксикислоты дегидрируются под действием дегидрогеназ с окисленной формой кофермента НАД+, причем водородные атомы отщепляются от спиртовой группы и связан­ ного с ней углеродного атома. При этом образуются соответст­ вующие оксокислоты. Так, важной стадией Р-окисления жирных кислот (разд. 19.4.2) является дегидрирование р-гидроксикислот в виде производных с коферментом А в соответствующие про­ изводные р-оксокислот:

+ НАД(Н) + Н+

Подобная реакция межмолекулярной окислительно-восста­ новительной дисмутации протекает с изолимонной кислотой в цикле Кребса:

дегидрогеназа

ООС— СН— СН— СН2СОО + НАД

II I

осоо

оксалосукцинат

Таким образом, гидроксикислоты чрезвычайно склонны к реакциям окислительно-восстановительной дисмутации, проте­ кающей как внутримолекулярно, так и межмолекулярно.

19.3.3. ОКСОКАРБОНОВЫ Е КИСЛОТЫ

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

Таблица 19.5

Некоторые биогенные оксокарбоновые кислоты и их биологическая роль

491

Наличие в гидроксикислотах двух или более электроотрица­ тельных групп способствует реакциям окислительно-восстанови­ тельной дисмутации, так как в их молекулах увеличивается чис­ ло углеродных атомов, имеющих промежуточные степени окисле­ ния. Внутримолекулярная окислительно-восстановительная дисмутация а-гидроксикислот происходит при их нагревании в при­ сутствии H2SO4 и сопровождается разрывом связи С—С. При этом образуются муравьиная кислота и соответствующее карбо­ нильное производное - альдегид или кетон:

Лимонная кислота в этих условиях, наряду с муравьиной кислотой, образует ацетондикарбоновую кислоту, которая в ре­ зультате внутримолекулярной окислительно-восстановительной дисмутации легко декарбоксилируется с образованием ацетона:

Приведенные реакции еще раз демонстрируют, что углерод­ ный атом карбоксильной группы может быть и окислителем (первая реакция), и восстановителем (вторая реакция).

4 9 0

В организме гидроксикислоты дегидрируются под действием дегидрогеназ с окисленной формой кофермента НАД+, причем водородные атомы отщепляются от спиртовой группы и связан­ ного с ней углеродного атома. При этом образуются соответст­ вующие оксокислоты. Так, важной стадией Р-окисления жирных кислот (разд. 19.4.2) является дегидрирование Р-гидроксикислот в виде производных с коферментом А в соответствующие про­ изводные Р-оксокислот:

+ НАД(Н) + Н

Подобная реакция межмолекулярной окислительно-восста­ новительной дисмутации протекает с изолимонной кислотой в цикле Кребса:

дегидрогеназа

ООС— СН— СН— СН2СОО + НАД

II

осоо“

оксалосукцинат

Таким образом, гидроксикислоты чрезвычайно склонны к реакциям окислительно-восстановительной дисмутации, проте­ кающей как внутримолекулярно, так и межмолекулярно.

19.3.3. ОКСОКАРБОНОВЫ Е КИСЛОТЫ

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

Таблица 19.5

Некоторые биогенные оксокарбоновые кислоты и их биологическая роль

491

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

С Н з -г С Н — СООН + Н Д Д + . д е г и д р о г е н а з а ^ С Н 3— С— СООН +

Оксокарбоновые кислоты сильнее, чем соответствующие гидроксикарбоновые кислоты. Поэтому в биосредах организма (pH « 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 карбо­

нильной ( ^ С = 0 ) и карбоксильной (—СООН) групп. Наличие в

их молекулах двух и более подобных электроотрицательных групп приводит к большей склонности этих соединений к реак­ циям окислительно-восстановительной дисмутации, как внут­ ри-, так и межмолекулярным. В результате дисмутации проис­ ходит расщепление и образование различных связей, включая межуглеродные.

492

Реакции с расщеплением связи С—С. В растворе H2SO4 пировиыоградная кислота подвергается внутримолекулярной дисмутации с расщеплением связи С—С: в разбавленной H2S04 происходит декарбоксилирование, а в концентрированной - декарбонилирование:

Эти реакции наглядно демонстрируют различные окисли­ тельно-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 Н30 +, 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 а-оксокарбоновых кислот, декарбоксилирование p-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 тиоэфирах p-оксокарбоновых кислот с коферментом А под действием тиолазы и кофермента А происхо­ дит внутримолекулярная дисмутация, но расщепляется связь Ср— Са, так как восстановителем в этом случае выступает угле-

493

родный атом карбонильной, а не карбоксильной группы:

SKoA

Этой реакцией заканчивается каждый цикл Р-окисления жир­ ных кислот (разд. 19.4.2).

Реакции с образованием связи С— С. Оксокарбоновые ки­ слоты легко вступают в реакцию конденсации альдольного типа. При этом возникновение связи С—С происходит за счет присое­ динения (реакция А^) С-нуклеофила и протона (электрофила) по кратной связи карбонильной группы с образованием гидроксипроизводного дикарбоновой кислоты с разветвленным углерод­ ным скелетом:

Как видно, это реакция межмолекулярной окислительно-вос­ становительной дисмутации, в которой углеродный атом карбо­ нильной группы выступает окислителем. Подобная реакция про­ текает в цикле Кребса на стадии конденсации оксалоацетата с ацетилкоферментом А (разд. 19.4.3).

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

—►“ООС—сн2—с—соо~ + Н20

о

При этом происходит удлинение углеродной цепи. Рассмотренные реакции свидетельствуют о том, что в оксо-

кислотах 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 вос­ становления.

494

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

Г и д р и р о в а н и е . Пировиноградная кислота, возникаю­ щая 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 ки­ слот в организме (разд. 19.4.1).

Т р а н с а м и н и р о в а н и е . Основным методом биосинтеза ос-аминокислот из а-оксокислот является реакция трансаминирова­ ния, сопровождаемая межмолекулярной окислительно-восстанови­ тельной 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:

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 во­ дородного атома, связанного с а-углеродным атомом относитель­ но карбонильной группы. Это способствует переносу протона на кислородный атом соседней карбонильной группы с возникно­ вением 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 тауто­ мерия сопровождается окислительно-восстановительной дисму­ тацией, при которой в кетотаутомере углеродный атом карбо­ нильной группы выступает окислителем, а а-углеродный атом - восстановителем. В енольной форме эти углеродные атомы вы­ полняют противоположные функции.

Оксокарбоновые кислоты в биологических средах (pH « 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

495