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

друг с другом (3-(1->3)-гликозидной связью. Эти дисахаридные зве­ нья соединяются Р-(1-»4)-гликозидными связями в полимер:

остаток остаток D-глюкуроновой N-ацетил-

кислоты D-глюкозамина

гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота - линейный полимер, отличается отно­ сительно низким значением молекулярной массы (0,27 -г.0,5) •106. Эта кислота достаточно сильна, поэтому в биологических средах (pH * 7) она существует в форме полианиона. Гиалуроновая кисло­ та проявляет большую склонность к гидратации и образованию ячеистых ассоциатов из мицелл. Растворы гиалуроновой кислоты обладают высокой вязкостью и липучестью, с чем связывают ее барьерную функцию, обеспечивающую непроницаемость соедини­ тельной ткани для патогенных микроорганизмов. В то же время этот полисахарид служит своеобразной межклеточной "смазкой" и одновременно лабильным цементирующим материалом. Гиалу­ роновой кислоте в тканях животных присущи не только струк­ турные функции. Пронизывая ткани в качестве межклеточного вещества, этот полисахарид регулирует распределение в клетках жизненно необходимых веществ. Гиалуроновая кислота легко образует смешанный углевод - белковый полимер.

Хондроитинсульфаты состоят из остатков D-глюкуроновой ки­ слоты и D-галактозамина, этерифицированного серной кислотой по ОН-группе у С-4 (хондроитин-4-сулъфат) или у С-6 (хондроитин-6- сульфат), соединенных Р-(1->3)-гликозидной связью в дисахаридное звено. Эти звенья соединяются Р-(1->4)-гликозидными связями в полимер, содержащий примерно 40 дисахаридных звеньев:

хондроитин-6-сульфат

596

Хондроитинсульфаты, в отличие от гиалуроновой кислоты, - сильные кислоты, и в биологических средах их сульфатные и кар­ боксильные группы практически полностью ионизованы. Хонд­ роитинсульфаты способны образовывать смешанный биополимер

сбелками. Они входят в состав кожи, хрящей, кровеносных со­ судов, трахеи, костной ткани. Название «хондроитин» происхо­ дит от греч. chondros - хрящ. Хондроитинсульфаты способству­ ют заживлению трудно заживающих ран и пролежней.

Строение остальных гетерополисахаридов (гепарин, гепаритинсульфат, кератансульфат и др.) отличается от рассмотренных составом моносахаридных остатков.

Протеогликаны представляют собой смешанные биополиме­ ры, состоящие из полисахарида и белка, в которых преобладает полисахаридный компонент (до 95 %). Полисахарид и белок со­ единены между собой ковалентными и межмолекулярными свя­ зями, поэтому их часто называют комплексами или агрегатами. Ковалентными являются О- или N-гликозидные связи, которые со стороны белка образуются аминокислотными остатками сери­ на, лизина, аспарагина. К образованию протеогликанов особенно склонны гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты и некото­ рые олигосахариды. Протеогликаны составляют структурообра­ зующую основу межклеточной жидкости, превращая ее в связно­ дисперсную систему - гель - с различной подвижностью и спо­ собностью поддерживать форму органов в целом. Эта способность подобных биополимеров особенно наглядно проявляется в хря­ щевой ткани, где они имеют структуру «ершика для мытья бу­ тылок» (рис. 22.1).

Вэтом протеогликане общее число пептидных цепей, с кото­ рыми ковалентно связаны хондроитинсульфаты и олигосахари­ ды, составляет около 140. Эти пептидные цепи не ковалентно, а

спомощью межмолекулярных взаимодействий через связывающие

Рис. 22.1. Надмолекулярная структура протеогликана хрящевой ткани

597

АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Глава 23

БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ

СОЕДИНЕНИЯ

После изучения этой главы вы должны знать:

-возможные электронные состояния для атомов азота и влия­ ние их на основность, нуклеофильность и комплексообразующую способность азотсодержащих соединений;

-причины токсичности аммиака, методы его обезвреживания в живых системах, цикл мочевины и ее свойства;

-строение и свойства пяти- и шестичленных ароматических азотсодержащих гетероциклических соединений;

-строение и свойства пиримидиновых и пуриновых произ­ водных;

-строение и свойства нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Во всех азотсодержащих соединениях-метаболитах атом азота связан с атомами менее электроотрицательных элементов Н и С и имеет степень окисления -3 . Атом азота в природных соедине­ ниях обычно образует три ковалентные связи, т. е. его валент­ ность равна трем. Только в катионах этих соединений, где поло­ жительный заряд сосредоточен на атоме азота, его валентность равна 4, причем четвертая связь возникает за счет неподелей­ ной электронной пары атома азота по донорно-акцепторному механизму. При этом степень окисления атома азота (-3 ) в ка­ тионах сохраняется. О валентности и степени окисления атома азота в его соединениях с кислородом см. разд. 12.2.3.

599

Главная особенность атома азота в соединениях связана со спо­ собностью выступать донором неподеленной пары электронов.

Донорная способность резко изменяется в зависимости от ха­ рактера атомной орбитали, которую занимает неподеленная элек­ тронная пара, т. е. определяется электронным состоянием атома азота. Для атома азота может быть реализовано пять различ­ ных электронных состояний (рис. 23.1).

Основное (невозбужденное) электронное состояние 2s22p3 реа­ лизуется в молекуле азота (:N =№ ), где тройная связь образована за счет трех неспаренных 2р-электронов каждого из атомов азо­ та. В этом случае неподеленная электронная пара каждого ато­ ма азота находится на ^-орбитали. Подвижность этих пар и л- электронов кратнойсвязи мала, поэтому молекулярный азот химически инертен (разд. 12.2.3).

Другие электронные состояния атома азота в соединениях описываются с помощью гибридизации его атомных орбиталей:

-электронное состояние sp3, когда все четыре внешние атом­ ные орбитали гибридизуются по sp3-Tmiy, образуя четыре равно­ ценные орбитали, на одной из которых находится неподеленная пара электронов;

-электронное состояние sp2-1, когда на трех гибридных ор­ биталях находятся три неспаренных электрона, а неподеленная электронная пара занимает чистую р-орбиталь;

-электронное состояние sp2-II, когда неподеленная электрон­ ная пара занимает одну из 5р2-гибридных орбиталей, а чистую р-орбиталь занимает неспаренный электрон, за счет которого атом азота образует л-связь;

-электронное состояние sp1, когда неподеленная электрон­ ная пара занимает одну их двух sp-гибридных орбиталей, а ос­ тальные орбитали занимают неспаренные электроны, за счет которых атом азота образует одну а- и две л-связи.

Рис. 23.1. Электронные состояния атома азота в его соединениях

600

В э л е к т р о н н о м с о с т о я н и и s p 3 неподеленная пара электронов атома азота находится на гибридной зр3-орбитали, по­ этому ее подвижность велика. Это позволяет атому азота, при на­ личии соответствующего партнера, активно образовывать еще одну (четвертую) связь по донорно-акцепторному механизму. Такие свойства характерны для атома азота в аммиаке, алифатических аминах и их производных - а-аминокислотах. Эти соединения легко образуют соли, т. е. аммонийные производные. Атом азота в электронном состоянии sp3 называется тетраэдрическим азотом.

электронов атомов азота находится на чистой р-орбитали. Это по­ зволяет ей активно участвовать в сопряжении с л-электронами со­ седних кратных связей, что приводит к эффективной делокализа­ ции электронной плотности в сопряженной системе. Вовлечение неподеленной пары электронов в сопряженную систему, отражае­ мое с помощью изогнутой стрелки, сильно снижает ее подвиж­ ность. При этом резко уменьшается способность атома азота вы­ ступать донором электронной пары в донорно-акцепторных взаи­ модействиях. Электронное состояние sp2-1 энергетически наиболее выгодно. Оно характерно для атома азота в анилине, амидах и пирроле. Такой атом азота в соединениях часто называют пир­ рольным азотом.

пара электронов атома азота находится на гибридной вр2-орби- тали и по стерическим причинам не может участвовать в сопря­ жении, так как лежит в плоскости a-связей. В состоянии sp^-II атом азота сохраняет способность быть донором электронной па­ ры, хотя и в мёныней степени, чем в состоянии sp3. Это вызвано снижением подвижности неподеленной электронной пары из-за большего приближения к ядру атома азота и усиления взаимо­ действия с ним. Энергетически такое состояние атома азота наи-

601

менее выгодно. Оно характерно для атома азота, образующего двойную связь, например в пиридине, иминах, оксимах. В этих случаях часто используют термин пиридиновый азот.

тронная пара атома азота находится на sp1-гибридной атомной орбитали. Из-за сильного взаимодействия с ядром подвижность неподелейной пары атома азота в этом случае крайне низкая. Поэтому нитрилы, где реализуется это состояние, очень слабые основания (р^Га(ВН+) « -10). В то же время нитрилы чрезвычай­ но склонны к образованию комплексных соединений, но за счет подвижности я-электронов тройной связи (разд. 10.4). Среди при­ родных соединений нитрилы встречаются очень редко.

Таким образом, лабильность атома азота и его специфичность как органогена проявляются прежде всего в способности изме­ нять свои электронодонорные свойства путем изменения элек­ тронного состояния (табл. 23.1).

602

Рассмотренные особенности состояния неподеленной пары электронов атома азота сильно влияют на свойства природных азотсодержащих соединений, включая гетероциклические. В мо­ лекулах таких соединений часто содержатся одновременно не­ сколько атомов азота, неподеленные пары электронов которых находятся на атомных орбиталях разного типа, что делает эти атомы азота резко различными по свойствам. Это наблюдается в гуанидиновом и имидазольном фрагментах природных а-амино- кислот или белков, а также в цитозине, аденине и гуанидине - структурных единицах нуклеиновых кислот.

Специфическая особенность электронных состояний атома азота отражается на основных, комплексообразующих, нуклео­ фильных и кислотных свойствах азотсодержащих соединений. Первые три свойства определяются прежде всего подвижностью неподеленной пары электронов атома азота в этих соединениях и склонностью ее к взаимодействию с определенным партнером.

Основность - это сродство к протону.

R3N: + ПН+ -► [R3N0H]+

Комплексообразование - сродство к катиону комплексообразователя.

2R3N: + ЩМе+П —► [R3NШМеElNR3]+

Нуклеофилъностъ - сродство к карбкатиону, точнее - к атому углерода, несущему в соединении частичный поло­ жительный заряд.

R2NH + Х ^ С ^ з —► R 2N CR 3 + н х

В случае азотсодержащих природных соединений все три свойства изменяются симбатно с увеличением подвижности не­ поделенной пары электронов атома азота:

603

Эта последовательность удобна для сравнительной оценки пере­ численных свойств разных атомов азота в биосубстратах.

Основные свойства. Вследствие наличия у атома азота неподеленной пары электронов азотсодержащие соединения способны образовывать ковалентную связь по донорно-акцепторному меха­ низму с катионом водорода, проявляя основные свойства.

Сила азотсодержащих оснований тем больше, чем подвижнее неподеленная электронная пара атома азота. Наиболее сильными основаниями будут соединения, содержащие атом азота, у кото­ рого неподеленная пара электронов находится на гибридной sp3орбитали, а наиболее слабыми основаниями - соединения, в кото­ рых атом азота содержит неподеленную пару электронов на чистой р-орбитали, участвующей в р,я-сопряжении. Таким образом, наи­ более сильными основаниями являются алифатические амины, аммиак и природные а-аминокислоты; очень слабыми основания­ ми - амиды, и особенно пиррол, в молекуле которого неподелен­ ная электронная пара атома азота активно участвует в образова­ нии сопряженной ароматической системы из шести электронов. Количественно основность азотсодержащих оснований в водной сре­ де отражается величиной piTa(BHf), характеризующей кислотность сопряженной кислоты данного основания (разд. 8 .1 ; табл. 8 .1 ):

NH3 < (CH3)2NH

9,3 10,7

Кроме того, сила азотсодержащего основания особенно воз­ растает, если его катион стабилизируется за счет сопряжения. По этой причине гуанидин (иминомочевина) является очень сильным основанием (р2Га(ВН+) = 13,5):

Таким образом, значение характеристики основности атома азота в соединениях в зависимости от его электронного состоя­ ния, природы заместителя и устойчивости катиона этого соеди­ нения может отличаться более чем на семнадцать порядков, т. е. в 1 0 17 раз.

604

Кислотные свойства. Вследствие полярности связи N— Н (р = 1,31 Д) азотсодержащие соединения проявляют кислотные свойства за счет диссоциации этой связи (NH-кислоты). Наиболее это характерно для соединений, в которых неподеленная пара электронов атома азота участвует в р,л-сопряжении (—NH—С =Х ), а образующийся анион стабилизируется наличием развитой со­ пряженной системы.

Кислотные свойства азотсодержащих оснований нуклеино­ вых кислот будут рассмотрены в разд. 23.3.

Таким образом, NH-кислотность азотсодержащих соедине­ ний варьирует в очень широких пределах и зависит от элек­ тронного состояния атома азота, природы заместителя и ста­ бильности образуемого аниона.

Комплексообразующие свойства. Наличие у атома азота под­ вижной неподеленной пары электронов делает азотсодержащие соединения легкополяризуемыми лигандами, которые образуют прочные комплексы с природными комплексообразователями Cu2+, Zn2+, Ni2+ (разд. 10.3). Особенно активны в реакциях комплексообразования азотсодержащие соединения, имеющие не­ сколько атомов азота, неподеленные пары электронов которых сильно подвижны и стерически доступны, например этилендиамин (H 2N — СН2— СН2— NH2) или* другие полиметилендиамины (H2N— (СН2)Л— NH2, п = 3 -г 6 ). Такие диили полидентатные лиганды образуют очень устойчивые комплексыхелаты (разд. 10.3).

Подвижность неподеленной пары электронов у атомов азота резко возрастает, если процессу комплексообразования предше­ ствует отщепление катиона водорода от связи N—Н, как это имеет место при образовании комплексов с аминокислотами или порфиринсодержащих комплексов: гемоглобина, цитохромов, хло­ рофилла (гл. 1 0 ):

2H3NCRHCOCr+ Си2+ —► [Cu(H2NCRHCOO)2]° + 2Н+

Таким образом, наиболее активные лиганды - это азотсодер­ жащие соединения, в которых неподеленная пара электронов атома азота находится на зр3-гибридной орбитали или чистой р-орбитали (пиридиновый азот) и которые способны образовывать хелатные комплексы. Это характерно для многих биосубстра­ тов: аминокислот, белков, нуклеиновых кислот.

605