Слесарев. Основы Химии живого

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 (3-окисления жирных кислот (разд. 19.4.2) является дегидрирование Р-гидроксикислот в виде производных с коферментом А в соответствующие про­ изводные Р-оксокислот:

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

”оос—(jiH— сн—СН2С00- + н^д+ дегядРогеназ*

ГУЩ он— СОО-

изоцитрат

— “ООС— с— сн— СН2СОО“ + НАД(Н) + н+

о соо"

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+:

+ НАД(Н) + Н+

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 H2 SO4 пировиноградная кислота подвергается внутримолекулярной дисмутации с расщеплением связи С—С: в разбавленной H2 SO4 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 H2 SO4 в реакцию вступает ассоциат пировиноградной кислоты с НзО+, 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:

СН3

+ С02 + НАД(Н) + Н+

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 H2 SO4 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:

-3

+ сн3— с

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— ОН + Н— СН2 — С— СОО“

АТФ

|ок-ль|

— ► "ООС— СН2— CjJ— СОО" + н 2о

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:

СН8—^у^СООН + НАД(Н) + Н+ Д ДКДИУ» сн3— <рн—СООН + НАД+

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 а-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

равновесием, включающим не только кетонный и енольный таутомеры анионов, но и их общий амбидентный анион, отри­ цательный заряд которого на единицу больше, чем у самих таутомеров. 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 (> 80 %), поскольку он является устойчивым внутримолекулярным хелатом, образованным за счет водород­ ной связи:

амбидентный анион

У ч

Н 1ок-ль|

* с С ~ 1 о

IB-льГ^(Ск ..о

н*

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 таутомерных 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.

Комллексооб^азование* 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 таутомерами. 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. НЕНАСЫЩЕННЫЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

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

Простейшие ненасыщенные кислоты - акриловая, метакриловая и винилуксусная:

Полимеризацией сложных 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 С1 7 Н3 3 СООН, содержащая одну двойную связь, линолевая C1 7 H31COOH - две двойные связи, линоленовая С1 7 Н2 9 СООН - три двойные связи и арахидоновая CjgH^COOH - 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-образную 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).

498

Учитывая склонность ненасыщенных кислот к реакциям присоединения окислителей, для характеристики их ненасыщенности 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 С^НзйСООН.

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