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

равновесием, включающим не только кетонный и енольный j таутомеры анионов, но и их общий амбидентный анион, отри­ цательный заряд которого на единицу больше, чем у самих тау­ томеров. В соответствии с законами термодинамики таутомерное равновесие всегда смещено в сторону таутомера с более слабыми кислотными свойствами, а в присутствии сильного основания - в сторону амбидентного аниона. Следовательно, чем сильнее раз­ личаются по кислотности таутомеры, тем больше преобладает таутомер со слабыми кислотными свойствами. Так, для пирувата равновесие сильно (> 95 % ) сдвинуто в сторону кетотаутомера:

Напротив, для оксалоацетата енольный таутомер становится преобладающим ( > 8 0 % ) , поскольку он является устойчивым внутримолекулярным хелатом, образованным за счет водород­ ной связи:

-|з-

енолтаутомер (> 80 % )

496

Наличие у соединения таутомерии значительно расширяет и повышает его реакционную способность. Такое соединение спо­ собно не только вступать в реакции, характерные для каждого таутомера, но и проявлять еще двойственную реакционную спо­ собность, характерную для их общего амбидентного аниона. При этом таутомерная система прежде всего вступает в те реак­ ции, которые протекают быстрее (кинетический фактор) и при­ водят к более устойчивым продуктам (термодинамический фак­ тор). Поскольку все компоненты таутомерной системы находят­ ся в равновесии, то убыль реагирующего компонента сразу восполняется за счет других компонентов. Поэтому таутомерная система реагирует как одно целое. В организме время установ­ ления равновесия в таутомерной системе уменьшается с помо­ щью ферментов-таутомераз, что обеспечивает необходимую ско­ рость жизненно важных биохимических реакций.

Перечисленные особенности реакционной способности тау­ томерных систем позволяют понять разнообразие химических свойств анионов оксокарбоновых кислот в условиях организма.

Анионы оксокарбоновых кислот и их производных легко ацилируются и алкилируются. При этом реакция может проте­ кать и по углеродным, и по кислородным центрам, что широко используется при синтезе лекарственных препаратов.

Комплексообразование. Оксокарбоновые кислоты являют­ ся активными ди- и полидентатными лигандами и поэтому образуют устойчивые хелаты с ионами-комплексообразовате- лями:

Качественная реакция с раствором FeCl3 на оксокарбоновые кислоты (возникновение интенсивной красно-фиолетовой окра­ ски) основана на образовании комплексов их енольными тауто­ мерами. Вероятно, как и в случае фенола, ионы Fe3+ за счет окислительных свойств способствуют внутрикомплексному об­ разованию радикалов (разд. 17.2) и возникновению комплексов с переносом заряда. На реакциях комплексообразования осно­ вано и применение оксокарбоновых кислот и их производных в качестве лекарственных препаратов для вывода ионов метал­ лов-токсикантов из организма.

19.3.4. НЕНАСЫЩ ЕННЫЕ КАРБОНОВЫ Е КИСЛОТЫ

Ненасыщенные карбоновые кислоты содержат в углеводо­ родной цепи одну или несколько двойных или тройных связей.

497

/

Простейшие ненасыщенные кислоты - акриловая, метакриловая и винилуксусная:

Полимеризацией слож ных эфиров и нитрилов этих ки ­ слот получают пластмассы, пленкообразующие и связующие вещества.

Полиакрилаты и полиметакрилаты прозрачны, бесцветны и светостойки, поэтому некоторые из них используются для произ­ водства органических стекол. По сравнению с обычным силикат­ ным стеклом, хрупким и способным пропускать < 1 % УФ-лучей, органическое стекло имеет явные преимущества: ударостойкость и прозрачность в УФ-диапазоне до 70 % .

Полиакрилаты широко используются и в стоматологической практике для изготовления протезов. Водные эмульсии полиак­ рилатов (типа латекса) применяются в производстве клеев и мяг­ ких медицинских пластырей, а также для придания водонепро­ ницаемости дереву, бетону и другим пористым строительным ма­ териалам.

Среди высших ненасыщенных кислот наиболее важными являются: олеиновая С 17Н ззСО О Н , содержащая одну двойную связь, линолевая С 17Н з1СО ОН - две двойные связи, линоленовая Ci7H29COOH - три двойные связи и арахидоновая С 1дНз1СО О Н - четыре двойные связи. Пространственная форма ненасыщенных высших кислот резко отличается от формы их насыщенных аналогов, для которых наиболее вероятна линейная конформа­ ция. Природные ненасыщенные высшие кислоты имеют цис- конфигурацию двойной связи и обычно U-образыую форму, ко­ торая плохо поддается плотной упаковке:

Поэтому для природных ненасыщенных высших кислот ха­ рактерны более слабые межмолекулярные взаимодействия, изза чего при обычных условиях они жидкие в отличие от твер­ дых насыщенных высших кислот. Ненасыщенные высшие ки­ слоты являются основными компонентами растительных масел (табл. 19.6).

4 98

Таблица 19.6

Содержание высших ненасыщенных кислот в растительных маслах, % по массе

"Незаменимые " полиненасыщенные кислоты (линолевая, линоленовая и арахидоновая) не могут быть синтезированы в организме человека и должны поступать с пищей (около 5 г в день). Они способствуют снижению содержания в крови холе­ стерина - одного из факторов развития атеросклероза. Арахи­ доновая кислота и некоторые другие полиненасыщенные ки­ слоты необходимы для образования важных биорегуляторов -

простогландинов (разд. 20.3).

Ненасыщенные карбоновые кислоты вступают в реакции, характерные для карбоксильной группы и для двойных связей. Как карбоновые кислоты они образуют сложные эфиры и дру­ гие производные. В живом мире они в основном встречаются в виде сложных эфиров глицерина (триацилглицерины), т. е. в виде жидких масел (разд. 2 0 .1 ).

Ненасыщенные кислоты легко вступают в реакции по крат­ ным связям. Ненасыщенные карбоновые кислоты, возникающие в организме при (J-окислении жирных кислот (разд. 19.4.2), со­ держат двойную связь между а- и Р-углеродными атомами. В этих соединениях, вследствие электроноакцепторного влияния кар­ боксильной группы, присоединение по кратной связи воды или аммиака протекает против правила Марковникова, так как функ­ циональная группа оказывается в P-положении по отношению к карбоксильной группе:

Эта реакция присоединения сопровождается внутримолекуляр­ ной окислительно-восстановительной дисмутацией.

Ненасыщенные жирные кислоты легко окисляются, вызы­ вая обесцвечивание бромной воды (за счет присоединения брома по кратной связи) или раствора перманганата (из-за образования гликоля):

499

СН3(СН2)7 (СН2)7СООН

Учитывая склонность ненасыщенных кислот к реакциям присоединения окислителей, для характеристики их ненасыгценности используют йодное число. Йодное число соответствует чи­ слу граммов иода, которое может присоединить 1 0 0 г вещества. Чем больше йодное число, тем больше ненасыщенность вещест­ ва (табл. 19.6). Ненасыщенные высшие кислоты и их производ­ ные из-за наличия кратных связей значительно легче окисля­ ются в организме и тем самым могут ограничивать в нем сво­ боднорадикальное окисление. Это является одной из причин полезности растительных масел, особенно для людей пожилого возраста. При полном гидрировании олеиновой, линолевой и линоленовой кислот они, присоединяя водород по кратным свя­ зям, превращаются в стеариновую кислоту С17Н35СООН.

Простейшие из непредельных дикарбоновых кислот с одной двойной связью - малеиновая и фумаровая ~ являются про­ странственными цис- и транс-изомерами соответственно:

На этих кислотах была впервые изучена цис-транс-изомерия этиленовых соединений. Малеиновая кислота термодинамически менее устойчива, чем фумаровая. Поэтому при нагревании и осо­ бенно под действием радикалобразующих веществ (иода, оксидов азота, азотистой кислоты) малеиновая кислота превращается в фумаровую с выделением теплоты.

Малеиновая кислота ядовита и среди природных соедине­ ний не найдена. Фумаровая кислота содержится во многих рас­ тениях, но особенно много ее в грибах. В человеческом организме она участвует в метаболизме и, присоединяя воду по кратной свя­ зи, образует яблочную кислоту в цикле Кребса (разд. 19.4.3).

19.4. ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ МЕТАБОЛИЗМА КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Карбоновые кислоты, по сравнению с другими органиче­ скими веществами, содержатся в значительном количестве в

500

клетках животных и особенно растений. Они являются продук­ тами превращения основных питательных веществ: жиров, бел­ ков и углеводов. Кроме того, многие имеющиеся или посту­ пающие в клетку органические вещества на конечных этапах катаболизма (диссимиляции) превращаются в ту или иную кар­ боновую кислоту. В то же время карбоновые кислоты синтези­ руются в клетке, т. е. являются продуктами анаболизма (асси­ миляции), так как они необходимы для жизнедеятельности клетки и организма в целом.

19.4.1. БИОСИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Биосинтез жирных кислот в организме - многостадийный циклический процесс. Хотя он начинается с ацилирования уксус­ ной кислотой кофермента А с образованием ацетилкофермента А, но I стадией считается конденсация СО2 с ацетилкоферментом А с образованием малонилкофермента А:

Малонилкофермеыт А конденсируется с новой молекулой аце­ тилкофермента А. Эта конденсация сопровождается декарбоксилированием и образованием ацетоацетилкофермента А и молеку­ лы кофермента А:

SKoA

О

ацетоацетилкофермент А

Карбонильная группа ацетоацетилкофермента А восстанав­ ливается в три стадии.

Г и д р и р о в а н и е

0

— ► СН3-—сн— СН2~" с \ SKoA ОН

501

Д е г и д р а т и р о в а н и е

SKoA

бутирилкофермент А

В итоге этого цикла окислительно-восстановительных реак­ ций, катализируемых мультиферментным ансамблем и сопря­ женных с гидролизом АТФ, происходит удлинение углеродной цепи на два атома углерода. Затем опять происходит конденса­ ция бутирилкофермента А с оксидом углерода(1У) и повторение последующих реакций цикла. Биосинтез пальмитиновой кисло­ ты включает 7 подобных циклов. Суммарное уравнение биосин­ теза пальмитиновой кислоты из ацетилкофермента А можно представить следующим образом:

+6Н20 + 8HSK0A

19.4.2.БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ Ж ИРНЫХ КИСЛОТ

Жирными кислотами называют как предельные, так и не­ предельные высшие карбоновые кислоты, углеводородная цепь которых содержит более 12 углеродных атомов. В организмах окисление жирных кислот - чрезвычайно важный процесс, и оно может быть направлено на а-, Р- и со-углеродные атомы мо­ лекул карбоновых кислот. Среди этих процессов наиболее часто происходит р-окисление.

Р-Окисление жирных кислот. Образующиеся при гидролизе жиров карбоновые кислоты подвергаются Р-окислению в мито­ хондриях, куда они поступают в виде соответствующих ацилкоферментов А. P-Окисление жирных кислот включает после­ довательность окислительно-восстановительных реакций, пред­ ставленных ниже:

502

I реакция. Д е г и д р и р о в а н и е

I реакция заключается в дегидрировании по а- и Р-углерод­ ным атомам при участии окисленной формы кофермента ФАД, которая выступает окислителем. Реакция протекает стереоспе­ цифично, и ее продуктом является транс-изомер ненасыщенной кислоты.

II реакция со стоит в присоединении молекулы воды по возник­ шей двойной связи. При гидратации транс-алкенового фрагмента образуется оптический L-изомер Р-оксикарбоновой кислоты.

503

IIIреакция включает дегидрирование спиртового фрагмен­ та, которое осуществляется соответствующей дегидрогеназой и окисленной формой кофермента НАД+. В результате окисления образуется Р-оксокислота, из-за чего весь процесс в целом назы­ вается Р-окислением.

IV реакция, катализируемая тиолазой, сопровождается вну­ тримолекулярным окислительно-восстановительным расщепле­ нием связи Срв^ с отщеплением ацетилкофермента и присоеди­ нением компонентов кофермента А по месту разрыва межугле­ родной связи.

Четыре рассмотренные реакции процесса Р-окисления состав­ ляют цикл, в ходе которого происходит укорочение углеродной цепи жирной кислоты на два углеродных атома. Один из воз­ никших продуктов окисления стеариновой кислоты - пальмитилкофермент А - вновь подвергается Р-окислению путем повто­ рения рассмотренного цикла реакций. Другой продукт реакции - ацетилкофермент А - обычно вступает в реакции цикла Кребса с образованием конечных продуктов катаболизма СО2 и Н2О.

Таким образом, Р-окисление жирных кислот имеет цикли­ ческий характер. Каждый цикл состоит из четырех реакций, а число циклов зависит от длины углеводородной цепи карбоно­ вой кислоты. При Р-окислении одной молекулы стеариновой кислоты параллельно образуется 40 молекул АТФ, а при пол­ ном окислении этой кислоты до СО2 и Н2О, т. е. включая цикл Кребса, образуется всего 146 молекул АТФ. Это свидетельствует

оважности процессов окисления жирных кислот с позиции энергетики организма.

а-Окисление жирных кислот. В растениях под действием ферментов происходит окисление жирных кислот по а-углерод- ному атому - а-окисление. Это окисление тоже имеет цикличе­ ский характер, причем цикл состоит из двух реакций.

Iреакция заключается в окислении жирной кислоты перок­ сидом водорода с участием соответствующей пероксидазы в со­ ответствующий альдегид и СО2:

-2 +3 -1

^ пероксидаза

R— СНо— СООН + 2Н 9О9

В результате этой реакции углеводородная цепь укорачива­ ется на один углеродный атом.

II реакция состоит в гидратации и окислении образовавше­ гося альдегида в соответствующую карбоновую кислоту под дей­ ствием альдегидодегидрогеназы с окисленной формой кофер­ мента НАД+:

/ О альдегидо- у О

504

Затем цикл а-окисления повторяется снова. а-Окисление высших жирных кислот характерно только для растений.

ш-Окисление жирных кислот. В печени животных и у неко­ торых микроорганизмов существует ферментная система, обеспе­ чивающая со-окисление, т. е. окисление по концевой СНз-группе, обозначаемой буквой со, углеводородного радикала жирных ки­ слот. Сначала под действием монооксигеназы происходит гидроксилирование с образованием со-оксикислоты:

Далее со-оксикислота окисляется в со-дикарбоновую кислоту:

НОСН2— R— СООН + Н20 + 2НАД+ дегидР°Геназа »■

— ► НООС—R— СООН + 2НАД(Н) + 2Н+

ш-дикарбоновая кислота

Полученная ш-дикарбоновая кислота укорачивается с любо­ го конца посредством реакций Р-окисления.

Окисление прямоцепочечных жирных кислот, которые обыч­ но имеются в живых системах, протекает гладко по любому из разобранных методов. Если же углеводородная цепь жирной ки­ слоты имеет разветвление, то ее биологическое окисление пре­ кращается, дойдя до места разветвления цепи. Это следует учи­ тывать при работе с синтетическими карбоновыми или суль­ фокислотами и их производными, имеющими разветвленную углеводородную цепь или содержащими фрагменты с бензольным кольцом, которые применяются как синтетические моющие средства (разд. 27.3.3). Их неполное окисление приводит к про­ дуктам, сохраняющим частично поверхностно-активные свойст­ ва. Загрязнение водоемов этими продуктами, способствующими пенообразованию на поверхности, приводит к резкому ухудше­ нию газообмена в таких водоемах.

19.4.3. РЕАКЦИИ ЦИКЛА КРЕБСА

Конечным продуктом Р-окисления жирных кислот в мито­ хондриях является ацетилкофермент А. Полное окисление его ацетильного остатка до СО2 и Н2О осуществляется другим мультиферментным ансамблем, обеспечивающим протекание серии реакций, которая называется циклом Кребса. За открытие этого цикла Г. Кребс стал в 1953 г. лауреатом Нобелевской премии. Цикл Кребса также называют циклом лимонной кислоты или циклом ди- и трикарбоновых кислот.

Мультиферментный ансамбль цикла Кребса, так же как ан­ самбли ферментов Р-окисления жирных кислот, электронотранс­

505