Слесарев. Основы Химии живого

В э л е к т р о н н о м с о с т о я н и и sp3 неподеленная пара электронов атома азота находится на гибридной $р3-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 sps 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-I энергетически наиболее выгодно. Оно характерно для атома азота в анилине, амидах и пирроле. Такой атом азота в соединениях часто называют пиррольным азотом.

пара электронов атома азота находится на гибридной «^-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 меньшей степени, чем в состоянии sp3. Это вызвано гнижением 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 зр1-гибридной атомной орбитали. Из-за сильного взаимодействия с ядром подвижность неподеленной пары атома азота в этом случае крайне низкая. Поэтому нитрилы, где реализуется это состояние, очень слабые основания (рХа(ВН+) « -10). В то же время нитрилы чрезвычай­ но склонны к образованию комплексных соединений, но за счет подвижности 71-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.

R8N: + ПН+ [R8NfflH]+

Комплексообразование - сродство к катиону комплексообразователя.

2R8№ + ЩМе+П —► [R8NElMefflNR8]+

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

R2NH + X^C^Rs —► R2NCR3+ нх

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

|Увеличение подвижности неподеленной электронной дары 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 sps- орбитали, а наиболее слабыми основаниями - соединения, в кото­ рых атом азота содержит неподеленную пару электронов на чистой р-орбитали, участвующей в /?,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 pJSTa(BH+), характеризующей кислотность сопряженной кислоты данного основания (разд. 8.1; табл. 8.1):

NH3 < (CH8)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 (piTa(BH+) = 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 1017 раз.

604

Кислотные свойства. Вследствие полярности связи N—Н (ц = 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,7С-сопряжении (—NH—С=Х), а образующийся анион стабилизируется наличием развитой со­ пряженной системы.

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 (H2 N—СН2 —СН2 —NH2 ) или* другие полиметилендиамины (H2 N— (СН2)д—NH2 , п ж3 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. 10):

2H3NCRHCOO“+ Cu2+ —► [Cu(H2NCRHCOO)2]0 + 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

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

Реакция алкилирования: R2NH 4- СЩ1 —► R2 NCR'3+HI Реакция ацилирования: R2NH+ R'COOR" —► ROONR2 + 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 +3 или +5 соответственно, которые превращаются в молекулярный азот, а восстановителями являются прежде всего атомы углерода, но когда их мало, то и атомы кислорода:

глицеринтринитрат

606

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 + 4-5, они могут выступать окислителями. Если же степень окисления атомов азота в со­ единениях промежуточная (от -2 до 4-3), 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 . РОЛ Ь АММИАКА ДЛЯ Ж ИВЫ Х ОРГАН И ЗМ ОВ И ПУТИ ЕГО ОБЕЗВРЕЖ ИВАН ИЯ.

ЦИКЛ МОЧЕВИНЫ И ЕЕ СВОЙ СТВА

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 $/>3 -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 -f 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 •Н2 О - межмолекулярный 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 глута­ 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 карбамоилфосфата в матриксе митохондрий, где много АТФ.

I. Об 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:

/уО

* Этот цикл также называют орнитпиновым циклом.

608

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

+ H2POj

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

III. По л у ч е ни 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 аргини­ носукцината происходит при участии АТФ и катализируется

аргининосукцинатсинтетазой:

Н .СОО*" Н .СОО”

Реакция эндэргоничная, и равновесие смещается вправо за счет последующего гидролиза Н2 Р2 О7 •Таким образом, на про­ текание первой и третьей реакций цикла мочевины всего рас­ ходуется 4 молекулы АТФ.

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

Н „СОО~ +

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 ор- 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 шуюся мочевину кровь переносит из печени в почки, где мочевина извлекается из крови и удаляется из орга­

низма с мочой.

Из приведенных ре­ акций видно, что ток­ сичный аммиак пре­ вращается в безвред­ ную мочевину. При этом один из атомов азота мочевины обра­

зуется из аммиака, другой - из аспартата. Кроме аммиака за счет цикла мочевины организм избавляется еще и от С02 в виде НС03. 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 я-электронами связи С=0. Поэтому основность, нуклеофильность и склонность к комплексообразованию у мочеви­ ны понижены. Мочевина является очень слабым основанием; она протонируется по атому кислорода:

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

610