Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биоорганическая химия конспект лекций. Учебное пособие для студентов I курса, обучающихся по специальности «Лечебное дело»
.pdf
Белки входят в состав всех живых организмов, но особо важную роль они
H
H
H
играют в животных организмах, которые состоят главным образом из тех или
иных форм белка. Мышцы, покровные ткани, внутренние органы, хрящи, кровь −
все это белковые вещества.
Растения синтезируют белки из СО
и Н2О за счет фотосинтеза. Животные
2
организмы получают в основном готовые аминокислоты с пищей и на их базе
строят белки своего организма. Практически все белки построены из 20 α-аминокислот, принадлежащих, за исключением глицина, к L-ряду.
Согласно общепринятой теории молекула белка состоит из остатков α-аминокислот, связанных между собой пептидными связями
пептидная группа
O
H3N
R
N
H
R
O
H
N
O
NHCOO
R
:
R
Пептидные связи являются не единственными видами связи в белках. Отдельные пептидные цепи или их участки могут быть связаны между собой дисульфидными (-S-S-), солевыми (ионными) или водородными связями. Солевые
связи образуются между свободными аминогруппами (N-концевая -NH
) и сво-
2
бодными карбоксильными группами (C-концевая −COOH). Водородные связи в
белках могут возникать между атомами кислорода кето- или оксигруппы и атомом водорода гидрокси-, амино- или амидной группы:
O
H
O
O NH
В молекуле белка существуют и другие виды взаимодействия.
Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру
белковых молекул. Все белки построены из относительно небольшого набора
аминокислот, но всегда в строго определенной для данного вида белка последовательности.
Под первичной структурой белка понимают вид, число и последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи
(специфичная последова-
тельность аминокислот в цепи).
Полипептидные цепи вследствие образования внутримолекулярных водородных связей имеют спиралевидную конфигурацию или структуру типа складчатого слоя. Пространственная «укладка» атомов главной цепи называется вторичной структурой.
Полипептидная спиралевидная цепочка может по-разному располагаться
в пространстве. Распределение в пространстве всех атомов белковой молекулы,
или «упаковка»,
получило название третичной структуры.
Для молекул белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей, выделяют и четвертичную структуру, определяющую тип взаимодействия между от-
131
дельными цепями. Следует отметить, что не у всех белков встречаются все четыре
структуры.
Цветные реакции на белки (качественные)
1. Биуретовая реакция
− возникновение фиолетового окрашивания при обра-
ботке белка NaOH (конц.) и насыщенным раствором сульфата меди. Цвет обусловлен образованием хелатного комплекса с медью (эту реакцию дают все белки).
Медный комплекс
биурета
O
HN
-
O
H
N
N
H
2Na
2+
Cu
H
N
N
H
+
O
NH
O
-
белковый комплекс
R
O
N
R
NN
1
R
NH
O
предполагаемый
Предполагаемый
белковый комплекс
2. Ксантопротеиновая реакция − появление при действии HNO
2
2+
Cu
O
O
O
N
-
-
R
3
O
R
4
(конц.)
3
желтого окрашивания. Реакция, связанная с наличием в молекуле белка ароматических колец. Эту реакцию дают лишь белки, содержащие остатки тирозина, фенилаланина и гистидина.
O
O
O
N
H
HNO
HO
остаток тирозина
3
HO
N
H
NO
жёлтый
NaOH
2
N
H
NO
O
2
оранжевый
Na
3. Нингидринная реакция (реакция на свободные, концевые аминогруппы) −
появление сине-фиолетового окрашивания при кипячении белка с водным раствором нингидрина.
O
O
Нингидрин
-H2O
O
OH
+ ++CO
OH
H2N
R
CH
CO2H
O
O
O
NH
O
2
2
RCHO
O
+
H2N
O
O
O
фиолетово-синий
132
O
N
HO
Углеводы
Углеводами (сахарами) называют группу природных веществ с общей формулой С
природе, особенно в растительном мире: до 80% сухого вещества растений приходится на долю углеводов. Содержание их в животных организмах – около 20%
сухого вещества. Растения синтезируют углеводы из неорганических соединений
(СО
2
стии хлорофилла. Животные организмы не способны синтезировать углеводы и
получают их с пищей.
ляют энергию для биологических процессов, а также являются исходным материалом для синтеза в организме других промежуточных и конечных метаболитов.
Классификация
(H2O)n, пример С6H12O6, C12H22O11. Углеводы широко распространены в
n
и Н2О) по сложной реакции фотосинтеза за счет солнечной энергии при уча-
υ
h
6CO2+6H2OC
6 ккал/моль
6H12O6
+6O
2
В живых организмах углеводы выполняют различные функции. Они постав-
УГЛЕВОДЫ (САХАРА)
моносахариды
(монозы)
простые сахара
альдозы кетозы
триозы С
тетрозы С
пентозы С
гексозы С
гептозы С
3
4
5
6
7
низкомолекулярные,
сахароподобные
(олигосахариды)
восстанавливающие невосстанавливающие
полисахариды
(полиозы)
сложные сахара
высокомолекулярные
(несахароподобные)
Моносахариды (монозы, простые углеводы) − многоатомные альдегидоили кетоспирты (полиоксиальдегиды или полиоксикетоны). В зависимости от
числа углеродных атомов в цепи они делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы, которые содержат альдегидную или кето-группу и подразделяются
соответственно на альдозы и кетозы. Монозами (простыми углеводами) называют такие углеводы, которые
невозможно гидролизовать с образованием более
простых сахаров:
HO
O
C
HC
CH2OH
H
OH
C
HC
HC
CH2OH
HO
OH
OH
C
OH
HC
HCHCOH
HCOHOH
CH2OH
CH2OH
O
C
HCHCOH
HCOHOH
CH2OH
триоза
тетроза альдогексоза 2-ке тогексоза
133
Сложными углеводами (полисахаридами, полиозами) называют такие углеводы, которые способны гидролизоваться с образованием простых углеводов. Полисахариды образуются из моносахаридов при конденсации их в процессе биосинтеза. Реакция сопровождается выделением молекулы H
O и усложнением
2
молекулы:
-(n-1)H2O
C6H12O
6
[C
6H10O5]n
К сложным углеводам относятся довольно разнообразные по свойствам вещества, и поэтому их делят на две подгруппы: низкомолекулярные (сахароподобные) и высокомолекулярные (несахароподобные). Низкомолекулярные полисахариды содержат в молекуле небольшое число (2-10) остатков моноз. Они хорошо
растворяются в воде, имеют сладкий вкус и ярко выраженное кристаллическое
строение. Одни из них (мальтоза, лактоза
) восстанавливают фелингову жидкость
и называются восстанавливающими. Другие (сахароза, трегалоза) не восстанавливают и поэтому их относят к невосстанавливающим сахарам. Высокомолекулярные полисахариды содержат от десятков до нескольких десятков тысяч остатков
моноз. Они нерастворимы в воде, безвкусны и не имеют выраженного кристаллического строения (порошки).
Если молекулы полисахарида состоят из остатков
одного и того же моносахарида, он называется гомополисахаридом. Гетерополисахариды содержат в цепи
остатки различных моносахаридов.
МОНОСАХАРИДЫ. АЛЬДОЗЫ, КЕТОЗЫ
Монозы − наиболее простая группа углеводов. В природе наиболее распро-
странены два вида моноз: пентозы и гексозы. Одни моносахариды ведут себя как
оксиальдегиды (альдозы), другие – как оксикетоны (кетозы). Большую роль в
природе играют альдозы. Наиболее часто встречающиеся глюкоза (альдоза) и
фруктоза (кетоза) – гексозы.
Для удобства и быстроты написания Фишер предложил проекционные
мулы моноз, в которых углеродная цепь изображается вертикальной линией, на
концах которой пишут функциональные группы (карбонильные всегда сверху).
Формулы Фишера позволяют наглядно изображать пространственное строение
пространственных изомеров моносахаридов (N = 2
ских атомов углерода (С
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
*
) в молекуле).
CHO
HHO
HHO
OHH
∗∗
OHH
CH2OH
n
, где n – число асимметриче-
CHO
OHH
HHO
HHO
∗∗
OHH
CH2OH
CH2OH
C
O
HHO
OHH
OHH
CH2OH
фор-
D-глюкоза
D-манноза
134
D-галактоза
D-фруктоза
У альдогексоз имеется четыре асимметрических атома углерода, у кетогексоз – три.
Таким образом, у альдогексозы 16 стереоизомеров образуют 8 пар антиподов: 8 энантиомеров D-ряда и 8 L-ряда. Например, природному моносахариду
D-(+)-глюкозе соответствует синтетически полученный оптический антипод
L-(−)-глюкоза:
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-глюкоза
CHO
HHO
OHH
HHO
HHO
CH2OH
L-глюкоза
Определение взаимного расположения H- и ОН-групп в сахарах − трудная
задача. Было предложено судить о принадлежности того или иного моносахарида
к D- или L-ряду по расположению в пространстве групп у последнего асимметри-
ческого атома углерода
. Eсли его конфигурация совпадает с конфигурацией
D-глицеринового альдегида, то моносахарид относят к D-ряду, если с L-глицериновым альдегидом, то к L-ряду.
D-(+)-
глицериновый
альдегид
O
H
C
OHH
C
CH2OH
HO H
OH
C
C
CH2OH
L-(−)-
глицериновый
альдегид
Таким образом, для каждого оптического изомера существует его антипод
(зеркальное отражение) – энантиомер.
Диастереоизомерами (от греч. diá − через, между, stereós − пространственный, объемный и изомеры) называют пространственные изомеры с двумя или более асимметрическими центрами, у которых различается конфигурация нескольких (но не всех) асимметрических атомов. То есть диастереомерными считают
любые комбинации пространственных изомеров молекулы, не составляющие пару
оптических антиподов. В отличие от оптических антиподов, у которых конфигурация всех асимметрических центров противоположна и которые отличаются
друг от друга только знаком оптического вращения при полном совпадении всех
других свойств, диастереомеры отличаются не только величиной оптического
вращения, но и другими физическими свойствами
, например, температурами
плавления и растворимостью. Они могут отличаться также и некоторыми химическими свойствами (скоростями и направлением реакций). Например, мезовинная
кислота является диастереомером как по отношению к L-винной, так и по отношению к D-винной кислоте, тогда как эти последние являются оптическими антиподами (энантиомерами). На различии физических свойств диастереомеров
135
осно-
ван метод расщепления рацематов на оптически активные энантиомеры. Так, если
на рацемическую кислоту подействовать оптически активным основанием, то полученные соли будут диастереомерны по отношению друг к другу и могут быть
разделены обычными методами, например кристаллизацией. Аналогично разделяют рацемические основания.
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
CHO
HHO
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-глюкоза
D-манноза
В случае сахаров диастереомеры, способные к взаимному превращению, называются эпимерами. (В общем случае эпимерами называют любые пространственные изомеры, различающиеся конфигурацией только при одном из асимметрических центров). Эпимеры моноз отличаются конфигурацией второго асимметричного атома углерода, например, D-глюкоза и D-манноза – эпимеры.
Цикло-цепная (кольчато-цепная) таутомерия.
Циклические формы моносахаридов. Мутаротация
Давно известны свойства моноз, которые не могут быть объяснены предложенными для них формулами оксиальдегидов и оксикетонов. Было непонятным,
почему они медленно взаимодействуют с NaHSO
, почему альдозы не дают ха-
3
рактерного окрашивания с фуксинсернистой кислотой и почему для них существует в два раза большее число изомеров, чем предсказывают формулы Фишера.
Оставалась неясной повышенная реакционная способность одной из гидроксильных групп.
Сначала предположили, а затем и доказали, что моносахариды могут иметь
двоякое строение – не только
альдегидо- и кетоспиртов, но и внутренних полу-
ацеталей, не содержащих свободной карбонильной группы. Оказалось, что в кристаллическом виде монозы имеют циклическое строение, а в растворах − пред-
ставлены смесями циклических и открытых (цепных) форм, которые находятся в
динамическом равновесии.
гликозидный
гидроксил
C
HHO
C
OHH
C
HHO
O
C
OHH
C
H
CH2OH
β-D-глюкоза
O
1
C
H
2
C
OHH
3
C
HHO
4
C
OHH
5
C
OHH
6
CH2OH
D-глюкоза
136
C
C
C
C
C
H
CH2OH
α-D-глюкоза
гликозидный
гидроксил
OHH
OHH
HHO
O
OHH
Циклизация: атом водорода гидроксильной группы у пятого атома углерода
(С
) присоединяется к кислороду карбонильной группы за счет разрыва π-связи,
5
образуя полуацетальный (гликозидный) гидроксил. Атом кислорода гидроксильной группы у С
бонильной группы (С
вающий С
и С5 и замыкающий шестичленный цикл. Шестичленные циклы наи-
1
после отщепления водорода соединяется с атомом углерода кар-
5
), таким образом, возникает кислородный мостик, связы-
1
более стабильны, поэтому кольчатая форма образуется с участием именно 5-ОН
группы.
В молекуле появился новый (пятый) асимметрический атом углерода, и в
результате при замыкании цикла из одной открытой оксоформы получается две
циклические полуацетальные формы, отличающиеся одна от другой конфигурацией при С
(пространственным расположением гликозидного гидроксила). Та
1
циклическая форма, у которой гликозидный гидроксил расположен по одну сторону с гидроксилом, определяющим конфигурацию монозы (D- или L-), называют
α-формой, если же по другую сторону − β-формой.
α- и β- Формы одной монозы не являются оптическими антиподами (энантиомерами), а представляют собой диастереомеры. Диастереомерные
монозы,
отличающиеся конфигурацией у первого асимметрического атома углерода, называются аномерами (α- и β-диастереомеры). Физические и химические свойства
аномеров различны:
20
]
α – D – глюкоза: т. пл. 146 °С; [α
β – D – глюкоза: т. пл. 150 °С; [α
= + 112°, плохо растворима в воде;
D
20
]
= + 19°, хорошо растворима в воде.
D
В циклических формах на один асимметрический атом углерода больше,
чем в открытых, поэтому в два раза больше оптических изомеров (за счет α- и βформ), что объясняет несоответствие между количеством реально существующих
изомеров и предсказанных по формуле Фишера.
Для более удобного написания и наименования полуацетальных
моноз Хеуорс предложил рассматривать их как производные гидрированных гетероциклов
пирана и фурана:
O
фуран
тетрагидрофуран 4Н-пиран тетрагидропиран
O
O O
Таутомерные формы моносахаридов, имеющие пятичленное кольцо, как у
фурана, называют фуранозными, а имеющие шестичленное – пиранозными формами. Перед названием цикла приводят наименование сахара: α−D−(+)глюкопираноза.
Изображая пиранозную форму при помощи проекций Хеуорса, атом кислорода всегда располагают в правом верхнем углу, часть кольца, обращенную к читателю, обозначают утолщенными
линиями. Символы атомов углерода, входящих
в цикл, не пишут, а только нумеруют, при этом атомы или группы атомов, находящиеся с левой стороны цепочки в циклической формуле Фишера (см. выше)
размещают над плоскостью кольца (сверху), за исключением атома водорода при
С
(С4). Это объясняется тем, что для образования кислородного мостика необхо-
5
137
дим поворот части молекулы вокруг связи С
ксил при С
циклическая или
кольчатая форма
6
CH2OH
занимает положение, благоприятное для замыкания кольца.
5
6
CH2OH
. После такого поворота гидро-
4−С5
гликозидный или
полуацетальный
гидроксил
CH2OH
6
H
5
H
4
OH
3
OH
H
(илиα-D-глюкоза)
[α] = + 112.2° (35.5%) [α]
O
H
OH
H
1
2
O
H
линейная или оксо-формаα-D-глюкопираноза
H
4
OH
раствора
5
H
OH
3
H
OH
C
H
δ
-
2
OH
=+52.5°(0.04%)
δ
+
O
1
H
H
5
H
4
OH
OH
β-D-глюкопираноза
(
[α]=+18.5°(63.5%)
3
H
илиβ-D-глюкоза)
O
H
OH
2
OH
1
H
Мутаротация
Все монозы в кристаллическом состоянии имеют циклическое строение (αили β-аномера). При растворении в воде циклический полуацеталь разрушается,
превращаясь в линейную форму. Линейная форма, в свою очередь циклизуется,
образуя α- и β-циклы. Линейная и обе циклические формы взаимно превращаются
и находятся в состоянии динамического равновесия, то есть являются таутомера
ми, отсюда термин – цикло-цепная таутомерия (или аномеризация – превращение
α- или β-аномера через линейную оксо-форму).
Внешним проявлением этого процесса является мутаротация – изменение
с течением времени удельного угла вращения плоскости поляризации свежеприготовленных растворов моноз (и восстанавливающих биоз) до некоторой постоянной величины.
-
При растворении в воде чистой α-D-
глюкозы (+112,2°, кристаллизуется из
абсолютного спирта или воды) в растворе появляются молекулы открытой оксоформы, а из нее обе циклические формы: α- и β-аномеры. Постепенно, по мере
прохождения этих превращений, содержание α-изомера будет уменьшаться, а количество β – увеличиваться, до наступления равновесия. Внешним проявлением
этого процесса является постепенное уменьшение
угла вращения плоскополяри-
зованного света свежеприготовленного раствора α-D-глюкозы с +112,2° до +52,5°
по мере стояния раствора (мутаротация α-D-глюкозы заканчивается через 172 мин
при 40 °С). По аналогии при растворении β-формы имеет место увеличение [α].
Положение равновесия не зависит от исходной таутомерной формы сахара,
а зависит от структуры и стереохимии
моносахарида, выбранного растворителя и
температуры.
138
Химические свойства моносахаридов
Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в молекуле
трех видов функциональных групп: карбонила, спиртовых гидроксилов и гликозидного (полуацетального) гидроксила. Для химических свойств моноз характерны две группы реакций – по линейной оксо-форме (то есть реакции карбонильного фрагмента) и по циклической форме (связаны с реакциями гидроксильных
групп).
I. Реакции по оксо-форме (линейная форма) моноз
Эти реакции проходят в полярных растворителях (часто в водных растворах) с обязательным участием карбонильной группы.
1. Окисление
а) Мягкое окисление
используемые окислители
используемы окислители
1. Ag(NH
2+
2. Cu
3. HNO
4. Br
2/H2
*-качественные реакции
OH (реактив Толленса)*
3)2
(реактив Фелинга)*
(разб.)
3
O
CHO
OHH
HHO
мягкое окисление
OHH
OHH
CH2OH
D-глюкоза D-глюконовая кислота
COOH
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
При окислении альдоз с помощью вышеприведенных реагентов происходит
окисление только карбонильной группы и образуется ряд гликоновых (-оновых,
альдольных) кислот. Так из D-маннозы образуется D-манноновая кислота, а из
D-галактозы − D-галактоновая кислота.
б) Окисление с помощью концентрированной (65%-й) HNO3
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-глюкоза
HNO3(конц.)
D-глюкаровая кислота
При использовании концентрированной HNO
пы, окисляется концевая, первичная CH
-OH группа и образуется ряд гликаровых
2
(аровых, сахарных) кислот. Из D-маннозы получается D-маннаровая кислота, а из
D-галактозы − D-галактаровая кислота.
COOH
OHH
HHO
OHH
OHH
COOH
, кроме карбонильной груп-
3
139
2. Восстановление
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
NaBH
или
LiAlH
OH
CH
2
OHH
4
HHO
OHH
4
OHH
CH2OH
D-глюкоза D-глюцит
(D-сорбит)
Из D-маннозы получается D-маннит, а из D-галактозы − D-галактит.
3. Укорачивание цепи моноз (деградация по Руффу)
O
C
H OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
1. Br
2/H2
2. CaCO
O
O
C
H OH
O
Ca
2+
H2O
2
HHO
3
OHH
Fe3+(кат.)
OHH
CH2OH
2
O
C
H
HHO
OHH
OHH
CH2OH
+
CaCO
3
D-глюкоза D-арабиноза
4. Удлинение цепи моноз (синтез Килиани – Фишера)
C
CH2OH
D-арабиноза
O
H
HHO
HCN
OHH
OHH
H
C N
C
OH
HHO
OHH
OHH
+
CH2OH
нитрилы
HO
C N
C
H
HHO
OHH
OHH
CH2OH
2H
+
O/H
2
D-глюконовая и D-манноновая
D-глюконовой и D-манноновой кислот
C
OH
α
CH(OH)
β
HHO
γ
OHH
OHH
CH2OH
кислоты
O
-H
(эпимеры)
O
2
O
H
C
CH(OH)
HHO
OHH
CH2OH
O
Na/Hg
HCl
H OH
O
C
H
C
HHO
OHH
OHH
CH2OH
O
C
H
C
HHO
+
HHO
OHH
OHH
CH2OH
γ
-лактоны
D-глюконовой и
D-манноновой кислот
Реакции удлинения и укорачивания цепи сыграли важную роль в определе-
нии стереохимии моносахаридов.
D-глюкоза D-манноза
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]