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

Нуклеофильные свойства. Природные азотсодержащие со­ единения проявляют нуклеофильные свойства в реакциях ал­ килирования или ацилирования по атому азота.

Реакция алкилирования: R 2N H 4 C R 3 I — ► R 2 N C R '3 4 H I Реакция ацилирования: R2NH 4 R'COOR" —► R'CONR2 4 R"OH

В условиях организма эти реакции протекают в водной среде под действием ферментов алкилили ацилтрансфераз, каждый из которых активен только по отношению к определенному субстра­ ту. Единой количественной характеристики нуклеофильности со­ единений в настоящее время нет. Однако для качественной оценки нуклеофильности того или иного атома азота в биосубстрате мож­ но использовать данные по его основности, так как обычно эти свойства изменяются для азотсодержащих соединений симбатно.

Окислительно-восстановительные свойства. В природных азотсодержащих соединениях атом азота имеет степень окисле­ ния -3 , поэтому он может выступать только восстановителем, т. е. отдавать электроны. Подобная реакция протекает в нитри­ фицирующих бактериях, которые окисляют аммиак кислородом в нитраты при участии фермента нитрогеноксидазы и АТФ:

Ввысших организмах эта реакция не протекает из-за отсут­ ствия данного фермента, а при окислении кислородом азотсо­ держащих органических соединений окисляются их атомы уг­ лерода, так как они более сильные восстановители, чем атомы азота.

Ворганических азотсодержащих соединениях атом азота может иметь степени окисления от -3 до +5:

Специально синтезируемые органические соединения, молеку­ лы которых содержат несколько нитроили нитратных групп, проявляют взрывчатые свойства. Реакции их разложения относят­ ся к реакциям внутримолекулярного окисления-восстановления и сопровождаются большим выделением энергии. Окислителями в них выступают атомы азота нитро- и нитратных групп со степенью окисления 4-3 или 4-5 соответственно, которые превращаются в молекулярный азот, а восстановителями являются прежде всего атомы углерода, но когда их мало, то и атомы кислорода:

глицеринтринитрат

6 06

Многие органические нитраты: глицеринтринитрат, пентаэритриттетранитрат (нитропентон), сорбитдинитрат (изодинит) - широко применяются как сердечно-сосудистые средства. Их дей­ ствие главным образом заключается в расслаблении гладкой мускулатуры периферических сосудов и их расширении. По­ этому их применяют для профилактики ишемической болезни сердца и снятия приступов стенокардии.

Таким образом, атомы азота в природных веществах могут быть только восстановителями, но этих свойств в большинстве организмов они не проявляют. В соединениях, содержащих ато­ мы азота в степенях окисления +3 +5, они могут выступать окислителями. Если же степень окисления атомов азота в со­ единениях промежуточная (от -2 до -f3), то они могут прояв­ лять окислительно-восстановительную двойственность.

Рассмотрев свойства атомов азота в природных соединениях, следует подчеркнуть, что в них этот органоген имеет степень окис­ ления -3 и выступает в основном донором своей неподеленной элек­ тронной пары, обеспечивая биосубстратам свойства основания, ли­ ганда и нуклеофила. Кроме того, вследствие полярности связи N—Н азотсодержащие соединения могут проявлять свойства NH-кислот.

2 3 .2 . РОЛЬ АММИАКА ДЛЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ И ПУТИ ЕГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ.

ЦИКЛ МОЧЕВИНЫ И ЕЕ СВОЙСТВА

Химические свойства аммиака и алифатических аминов уже были рассмотрены в разд. 12.2.4. В молекулах этих соединений неподеленная электронная пара атома азота находится на вр3-орби- тали, поэтому для нее характерна предельная подвижность, а для аммиака и аминов - высокая основность, нуклеофильность и склон­ ность к комплексообразованию как лигандов. Именно эти особенно­ сти химических свойств характерны и для природных аминокислот, так как они содержат «аминный» атом азота (гл. 21). Синтез ами­ нокислот в природе осуществляется в растениях и микроорганиз­ мах, которые ассимилируют простейшие азотсодержащие соедине­ ния (аммиак и нитраты) и восстанавливают их до аммиака, ис­ пользуя его для синтеза жизненно важных аминокислот, белков, гетероциклических азотсодержащих соединений и нуклеиновых кислот. Эти ценные природные вещества в готовом виде как про­ дукты питания достаются животным. Большинство организмов экономно используют аминокислоты и нуклеотиды, пропуская их через процессы метаболического обновления, что позволяет ис­ пользовать их повторно.

Вследствие особенностей метаболизма у животных, в частности дезаминирования аминокислот, в их организмах появляется амми­ ак. В норме концентрация аммиака поддерживается в крови у че­ ловека на уровне 0,4 -s- 0,7 мг/л. При pH крови аммиак существует почти полностью в виде катиона аммония. Ионы NH4, будучи за­ ряженными частицами, с большим трудом проникают через кле­

607

точные мембраны. Диссоциация катиона аммония (как сопряжен­ ной кислоты с отщеплением протона и образованием аммиака) протекает слабо - pKa(NH.\) = 9,25. Следовательно, аммиак явля­ ется сильным акцептором протона. По этой причине, а также из-за склонности к комплексообразованию аммиак хорошо растворяется в воде, образуя малоустойчивое соединение NH3 •Н2О - межмо­ лекулярный ассоциат (разд. 12.2.4).

В отличие от катионов аммония, молекулы аммиака в виде ассоциата с молекулой воды легко проходят сквозь мембраны и способны проникать в клетки мозга, а также в их митохондрии. В результате замедляются реакции дезаминирования глутамино­ вой кислоты с образованием 2-оксоглутарата (разд. 21.2.5). Сле­ довательно, снижается интенсивность реакций: цикла Кребса (разд. 19.4.3), завершения окисления глюкозы (разд. 22.1.2) и синтеза АТФ (разд. 9.3.4), обеспечивающих мозг энергией. Кроме того, аммиак, попадая в нервные ткани, вступает в реакции комплексообразования с катионами биометаллов, нарушая ме- талло-лигандный гомеостаз в этих тканях (разд. 10.5). Все это свидетельствует о токсичности излишка аммиака для животных, поэтому для них проблема удаления из организма токсичного аммиака чрезвычайно важна.

У костных рыб аминный азот транспортируется в виде глут мина в жабры, где содержится глутаминаза, катализирующая гид­ ролиз глутамина до глутаминовой кислоты и аммиака. Образовав­ шийся аммиак сильно разбавляется потоком воды, омывающим жабры, и уносится им. Таким образом, у рыб функционирует про­ стейшая система избавления организма от излишка аммиака.

В процессе эволюции у млекопитающих сформировалась спе­ циальная выделительная система из почек и мочевого пузыря. При этом в мочу поступает не аммиак и не катион аммония, а мочевина CO(NH2)2 (в моче человека содержание мочевины около 2 % ). Поэтому основной метаболический путь обезвреживания аммиака у млекопитающих заключается в том, что в клетках печени на его основе синтезируется мочевина. Этот синтез со­ вершается в форме цикла и называется циклом мочевины* (от­ крыт Г. Кребсом и К. Хенселантом в 1932 г.).

Цикл мочевины. Начинается этот процесс с получения карб- амоилфосфата в матриксе митохондрий, где много АТФ.

I. О б р а з о в а н и е к а р б а м о и л ф о с ф а т а . Ионы аммо­ ния, возникшие в результате окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты, взаимодействуют с гидрокарбонат-анионом и АТФ при участии карбамоилфосфатсинтетазы, образуя карбамоилфосфат, содержащий макроэргическую связь:

* Этот цикл также называют орнитиновым циклом.

6 0 8

II. П о л у ч е н и е ц и т р у л л и н а . В матриксе митохондри карбамоилфосфат конденсируется с аминокислотой орнитином, которая, являясь гомологом лизина, не входит в состав белков. Реакция катализируется орнитинкарбамоилтрансферазой:

+ H2P 04

Образовавшийся цитруллин переходит из митохондрий в ци­ тозоль клеток печени, где протекают остальные реакции цикла мочевины.

III. П о л у ч е н и е а р г и н и н о с у к ц и н а т а . Нуклеофиль ное замещение карбонильной группы цитруллина на аминогруп­ пу аспартата с образованием гуанидиновой группировки аргининосукцината происходит при участии АТФ и катализируется

аргининосукцинатсинтетазой:

Н .СОО" Н СОО"

Реакция эндэргоничная, и равновесие смещается вправо за счет последующего гидролиза Н2Р20 2-. Таким образом, на про­ текание первой и третьей реакций цикла мочевины всего рас­ ходуется 4 молекулы АТФ.

IV. Р а с п а д а р г и н и н о с у к ц и н а т а . Под действием а гининосукцинатлиазы аргининосукцинат экзэргонически расще­ пляется с образованием аргинина и фумарата:

609

2 0 - 3 4 5 3

В цикле мочевины это единственная реакция внутримолеку­ лярной дисмутации. Все остальные реакции этого цикла - элек­ трофильно-нуклеофильные .

V. О б р а з о в а н и е м о ч е в и н ы и р е г е н е р а ц и я о р н и т и н а . Гидролиз аргинина, катализируемый аргиназой, при­ водит к образованию мочевины и регенерации орнитина. Реак­ ция экзэргонична.

Регенерированный орнитин может снова поступать в митохон­ дрии и участвовать в новом обороте цикла мочевины. Образовав­

зуется из аммиака, другой - из аспартата. Кроме аммиака за счет цикла мочевины организм избавляется еще и от С02 в виде НСО3 . На это очищение от конечных продуктов метаболизма организм расходует 4 молекулы АТФ. Прежде чем рассмотреть особенно­ сти обезвреживания аммиака в организме птиц и пресмыкаю­ щихся, кратко остановимся на свойствах мочевины.

Свойства мочевины. Мочевина является диамидом угольной кислоты, и поэтому ее часто называют карбамидом. В отличие от аммиака, в мочевине у атомов азота их неподеленные элек­ тронные пары находятся на 2р-орбитали и участвуют в сопря­ жении с л-электронами связи С—О. Поэтому основность, нуклеофильность и склонность к комплексообразованию у мочеви­ ны понижены. Мочевина является очень слабым основанием;

Мочевина легко растворяется в воде, ее растворы имеют ней­ тральную реакцию. Растворение мочевины в воде происходит с поглощением теплоты.

610

Мочевина гидролизуется медленно даже при кипячении с водой; процесс ускоряется в присутствии кислот или щелочей:

H2N—СО—NH2 + Н20 —► 2NH3 + С02

В присутствии фермента уреазы мочевина гидролизуется очень быстро, что очень важно для обмена веществ у животных и круговорота азота в биосфере.

По химическим свойствам мочевина похожа на амиды карбо­ новых кислот (разд. 19.2.3) с тем отличием, что у мочевины бо­ лее выражены нуклеофильные и комплексообразующие свойства, так как в ее молекуле карбонильная группа связана с двумя ами­ ногруппами. Мочевина как нуклеофил сравнительно легко ацилируется, образуя азотсодержащие гетероциклические соединения. Ацилирование мочевины малоновой кислотой приводит к барби­ туровой кислоте, являющейся пиримидиновым производным:

При ацилировании мочевины 5-оксибарбитуровой кислотой образуется мочевая кислота - производное пурина:

Мочевая кислота и ее соли (ураты) плохо растворимы в во­ де. Поэтому при нарушениях обмена веществ возможно отло­ жение мочевой кислоты в суставах, что приводит к заболева­ нию подагрой. Камни мочевого пузыря и почек состоят из мо­ чевой кислоты и ее солей уратов (разд. 11.4).

При нагревании мочевины до 140 °С одна молекула мочеви­ ны, отщепляя аммиак, ацилирует другую молекулу мочевины, образуя биурет:

611

2 0 *

Биурет в щелочной среде с катионами меди(П)' дает фиолето­ вое окрашивание, обусловленное образованием хелатного ком­ плекса (биуретовая реакция):

Мочевина широко применяется в качестве пролонгированного азотного удобрения и добавки к кормам жвачных животных, у которых в первом отделе желудка (рубец) имеются микроорга­ низмы, использующие ее для синтеза аминокислот, необходимых организму хозяина. В медицине мочевину применяют в основном

вкачестве дегидратирующего средства для предупреждения и уменьшения отека мозга и токсического отека легких, а также как средство, понижающее внутриглазное давление. В основе этого эффекта, кроме явления осмоса, вероятно, лежит способ­ ность мочевины влиять на пространственную структуру воды в растворе. Дезинфицирующие свойства мочи и использование ее

вуринотерапии, возможно, также связаны с особой пространствен­ ной структурой воды в ней. Эта структура воды формируется в почечной системе, но при хранении in vitro в результате теплово­ го движения она разрушается, и целебность мочи уменьшается.

Возвратимся к проблеме обезвреживания аммиака у живых су­ ществ. В отличие от млекопитающих, организм птиц и пресмыка­ ющихся очищается от аммиака, превращая его сложным путем в мочевую кислоту. Из-за низкой растворимости в воде помет птиц,

называемый гуано, представляет собой полутвердую массу, состоя­ щую из кристаллов мочевой кислоты и небольшого количества во­ ды. Богатейшие залежи гуано, используемого как удобрение, со­ средоточены в местах гигантских птичьих базаров. В современных условиях источником гуано являются крупные птицефабрики.

2 3 .3 . АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Гетероциклическими называют органические соединения, в со­ став цикла которых помимо атомов углерода входят один или не­ сколько атомов других элементов - гетероатомов. Наиболее важное значение имеют гетероциклы, содержащие атомы N, О и S. Вклю­ чение этих гетероатомов вместо групп —СН =СН —, —С Н = или —СН2— в циклическую систему не очень сильно изменяет об­ щую геометрию молекулы и мало влияет на напряжение в цик­ ле. Особый интерес вызывает обширная группа гетероциклов, имеющих циклические сопряженные системы кратных связей, в которых может принимать участие неподеленная электронная

612

пара гетероатома, находящаяся на р-орбитали. Такого рода ге­ тероциклы напоминают своей устойчивостью бензол и получи­ ли название ароматические гетероциклы. Именно эти соедине­ ния, содержащие в цикле один или несколько атомов азота, и будут объектом нашего рассмотрения.

Пятичленные гетероциклы. Пятичленные гетероцикличе­ ские соединения можно рассматривать как продукт замещения в бензольном цикле одной группировки —СН =СН — на гетеро­ атом с неподелейной парой электронов. Внимание будет уделено пирролу, индолу и имидазолу, поскольку эти азотсодержащие со­ единения или их производные составляют основу многих природ­ ных биологически активных веществ и лекарственных средств.

П и р р о л . Молекула пиррола содержит систему сопряжен­ ных связей, включая неподелейную пару электронов атома азота:

Степени окисления углеродных атомов

Четыре атома углерода молекулы пиррола находятся в sp2-со­ стоянии, а атом азота - в sp2-1 состоянии, соответственно все а- связи между ними расположены в одной плоскости. Неподеленная электронная пара атома азота находится на р-орбитали и участвует в сопряжении с 71-электронами соседних двойных связей. Энер­ гия делокализации электронов в 71-системе пиррола составляет 110 кДж/моль, следовательно, он имеет ароматический характер. Атом азота является донором электронной пары для л-системы, поэтому на углеродных атомах цикла плотность 71-электронов увеличена, причем в a -положении больше, чем в (3-положении. Это делает пиррол электроноизбыточным гетероциклом, благо­ даря чему он легче вступает в реакции электрофильного заме­ щения по сравнению с бензолом и легко окисляется.

Пиррол - бесцветная жидкость (т. кип. 131 °С) с запахом хло­ роформа, практически нерастворимая в воде и быстро темнею­ щая на воздухе из-за окисления. Молекула пиррола содержит полярную связь N —H и является очень слабой NH-кислотой (рКа = 17,5). При взаимодействии со щелочными металлами пиррол образует соли, устойчивые в отсутствие воды:

неустойчив, легко полимеризуется

613

Поскольку неподеленная электронная пара атома азота де­ локализована, то пиррол является очень слабым основанием. В сильнокислой среде ароматическая система пиррола наруша­ ется вследствие протонирования, и он легко полимеризуется с образованием темной смолы. Поэтому пиррол называют ацидофобным, т. е. не выдерживающим присутствия кислот.

Реакции электрофильного замещения в пирроле обычно про­ водят в щелочной среде. Даже такой слабый электрофил, как I2, в этих условиях замещает четыре водородных атома пиррола, об­ разуя тетраиодпиррол:

Реакция сопровождается окислением углеродных атомов пир­ рола и восстановлением атомов иода.

Наиболее реакционноспособно к электрофильному замещению в пирроле а-положение. Так, конденсацией пиррола с муравьи­ ной кислотой можно получить порфин:

Эта конденсация, естественно, тоже сопровождается окис­ лением а-углеродных атомов пиррола и восстановлением угле­ родных атомов муравьиной кислоты.

Плоский макроцикл порфина является ароматической со­ пряженной системой, л-электронное облако которой содержит 26 электронов (22 электрона одиннадцати двойных связей и две неподелейные электронные пары двух атомов азота). Это соот­ ветствует правилу ароматичности 4п + 2, где п = 6. Порфины, частично или полностью замещенные в пиррольных циклах, на­ зываются порфиринами. Это активные хелатообразующие четырехдентатные лиганды, входящие в состав важных природных комплексных соединений: гемоглобина, цитохромов, хлорофилла (разд. 10.4).

При биологическом окислении в печени гемоглобина и дру­ гих порфиринсодержащих метаболитов образуются билирубиноиды, содержащие линейную тетрапиррольную систему. Наиболее важный из них - билирубин имеет оранжевую окраску.

614

ноос соон

билирубин

Эти вещества являются пигментами желчи, часть которых выде­ ляется с мочой, сообщая ей характерный желтый оттенок. Они же вызывают пожелтение кожи при желтухе, что свидетельствует о чрезмерном разрушении порфинсодержащих метаболитов в печени.

При гидрировании пиррола происходит постепенное присоеди­ нение водорода по кратным связям:

При этом ароматическая система пиррола разрушается и атом азота переходит в $р3-состояние. В результате основность полученных соединений намного выше, чем основность пиррола (р2£а(ВН+) = -3,8). Так, для пирролидина pJ*Ta(BH+) = 11,3. Пирролидиновое кольцо входит в состав а-аминокислот (пролин, гидроксипролин), а также алкалоидов (никотин):

пролин

И н д о л (бензопиррол) является конденсированным гетеро­ циклическим соединением, состоящим из бензольного и пирроль­ ного ядра. Индол имеет циклическую сопряженную систему, содержащую 10 электронов. В индоле электронодонорное действие атома азота проявля- 6 ется в повышении электронной плотности на уг­ леродных атомах, особенно в положениях 3, 5 и 7.

В отличие от пиррола, в индоле электрофильные реагенты прежде всего атакуют углеродный атом в положении 3, что обусловлено влиянием бензольного цикла. Индол, подобно пирролу, практиче­ ски не обладает основными свойствами, ацидофобен, ведет себя как слабая NH-кислота (рК а = 17), легко окисляется, из-за чего быстро темнеет на воздухе.

615