Раздел 5. Механизмы биоорганических реакций.

Исходный уровень знаний для усвоения темы основан на школьной

программе органической химии, программе химии «Химическая термодинамика и биоэнергетика», «Физико-химические основы кинетики биохимических реакций», « Окислительно-восстановительные реакции», разделах 1, 2, 3 , 4 данного пособия.

Для усвоения темы и приобретения компетенции по данному разделу надо знать:

- виды разрыва химических связей,

-особенности электронного строения активных частиц – радикал, электрофил, нуклеофил,

-типы биоорганических реакций и их условное обозначение,

-запись всех приведенных в разделе реакций с использованием структурных формул соединений.

Ключевые слова:

Классификация биоорганических реакций (восстановление, замещение, окисление, присоединение, элиминирование), кофермент НАД, механизм реакции, нуклеофил, радикал, реакции in vivo и in vitro, реакционная способность, типы разрыва химических связей (гетеролитический, гомолитический), фермент, электрофил.

Содержание раздела (Дидактические единицы)

5.1. Типы химических реакций, характерных для биоорганических соединений (присоединение, замещение, элиминирования, изомеризации, окислительно-восстановительные). Типы разрыва химических связей (гомолитический, гетеролитический).

5.2. Гомолитический (радикальный) разрыв ковалентной одинарной связи. Условия разрыва, строение радикальной частицы. Факторы, влияющие на устойчивость радикальной частицы (увеличивают доноры, акцепторы, наличие сопряжения)

5.3. Гетеролитический (ионный ) разрыв связи. Образование двух типов частиц: электрофильной (Е⁺), нуклеофильной (Nu ^-), их электронное строение

5.4. Реакции электрофильного присоединения (АЕ). Механизм реакции. Объяснение правила Марковникова на основе механизма реакции. Влияние донорных и акцепторных заместителей на направление присоединения.

Примеры (уметь записать схему реакции и объяснить в конкретных случаях направление присоединения):

А) этен + НОН (HСl , HBr)

Б) пропен + НОН (HСl , HBr )

В) пропеновая (акриловая) кислота + НОН

Г) 2-бутеновая (кротоновая) кислота + НОН

Д) транс-бутендиовая кислота + НОН

5.5. Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе (AN) Механизм реакции. Влияние заместителей (доноров и акцепторов) на активность карбонильных соединений в реакциях присоединения – доказательство нуклеофильного механизма.

Надо уметь записывать ниже означенные реакции для конкретных соединений. Примеры:

А) Присоединение воды (гидратация) метаналя, этаналя, трихлорэтаналя.

RCHO + HOH ————> RCH(OН)2

Б) Присоединение циановодорода НСN – образование циангидринов.

RCHO + HCN ————> RCH(OН)СN

В) Присоединение одноатомного спирта ROH– образование полуацеталя.

RCHO + R1OH————> RCH(OН)ОR1

Дальнейшее взаимодействие полуацеталя со спиртом - образование ацеталя в реакции нуклеофильного замещения SN.

Г) Присоединение тиола RSH – образование тиополуацеталя.

RCHO + RSH————> RCH(OН)SR1

Д) Присоединение амина (с последующим элиминированием воды) образование азометина (основания Шиффа)

RCHO + R1NH2————>RCH = N-R1

Все перечисленные реакции AN происходят in vivo, в биологических объектах, в клетках организма человека.

6. Реакции электрофильного замещения SE в ароматических соединениях (на примере бензола и фенола). Образование электрофильных активных частиц (катионов галогена Сl⁺, Вr ⁺, I⁺, нитроний-катиона NO2⁺, метильного катиона CH3⁺). Механизм реакции электрофильного замещения.

Примеры:

А) Нитрование бензола С6Н6 + НNO3—> С6Н5 –NO2 + НОН

Б)Хлорирование бензола с катализатором С6Н6 + Сl 2—> С6Н5Сl + НСl

В) Акилирование бензола с катализатором АlСl3

С6Н6 + СН3Сl—> С6Н5- СН3 + НСl

Г) Бромирование( хлорирование) фенола

НО-С6Н5 + Вr2—>2.4,6-трибромфенол + 3 НВr

Сравнение активности бензола и фенола. Правило замещения 2,4,6 в бензольном цикле фенола. Биологическая роль реакции SE в синтезе йодтиронинов (тиреоидных гормонов) в щитовидной железе.

5.7.Реакции нуклеофильного замещения SN. Механизм реакции SN1и SN2.

Примеры: реакции SN in vitro

А) С2Н5ОН+ НСl ↔ С2Н5Сl + НОН

Б) С2Н5Сl + НОН ↔ С2Н5ОН+ НСl

В С2Н5Сl + NaOH ( в среде HOH) —> С2Н5ОН + NaСl

Г) СН3 – СНСl – СН3 + 2 NH3 —> СН3 – СН(NH2)– СН3 + NH4Сl

Д) нагревание этанола с конц. серной кислотой при Т<140

С2Н5ОН + С2Н5ОН —> С2Н5 –О- С2Н5 + НОН

Примеры реакции SN , моделирующие реакции in vivo:

А) триметиламин + хлорметан

(СН3)3 N + CH3Cl —> (СН3)4 N⁺] Cl ^-

тетраметиламмоний хлорид

Б) пиридин + CH3Cl —>N –метилпиридиний хлорид

5.8. Реакции элиминирования (Е). Отщепление воды - реакция дегидратации. Общий механизм реакции SN1 и реакции элиминирования - образование промежуточного карбокатиона.

Примеры реакции Е in vitro

А) нагревание этанола с конц. серной кислотой при Т>140

С2Н5ОН —> СН2 = СН2 + НОН

Б) нагревание хлоралканов со спиртовым раствором щелочи

С2Н5Сl + NaOH (спирт) —> СН2=СН2 + NaCl + НOH

СН3 – СНСl – СН3 + NaOH (спирт) —> СН3-СН=СН2 + NaCl + НOH

Примеры: реакции элиминирования Е in vivo

А) 2-гидроксибутандиовая кислота —>НОН + НООС- СН=СН-СООН

(яблочная) ( фумаровая)

Б) 3-гидроксибутановая кислота) —>НОН + СН3-СН=СН-СООН

(β- оксимасляная) ( кротоновая )

В) лимонная кислота —> цис – аконитовая + Н2О

НООС-СН2-С(ОН) –СН2–СООН —> НООС-СН2-С =СН–СООН + Н2О

| |

CООН СООН

6. Окислительно-восстановительные реакции in vitro и in vivo. Окисление спиртов, альдегидов, тиолов.

Список основных превращений в окислительно- восстановительных реакциях (при изучении этого раздела):

1. молочная кислота ↔ пировиноградная

2. 3-гидроксибутановая ↔ 3-оксобутановая (ацетоуксусная )

3. яблочная (2- гидроксибутандиовая ) ↔ 2-оксобутандиовая

(щавелевоуксусная)

4. этантиол ↔ 1,2 - диэтилдисульфид

5. цистеин ↔ цистин

6. бутандиовая (янтарная) кислота ↔ транс – бутендиовая (фумаровая)

7. этанол ↔ этаналь ——> этановая (уксусная) кислота

Приложение. Основы теории.

Радикальная частица (радикал) имеет неспаренный электрон. Принятое обозначение R^•. Частица органического вещества, в которой есть атом углерода, содержащий неспаренный электрон (полувакантная орбиталь), находится в состоянии гибридизации sp², также является радикалом.

Радикалы Сl^•, Вr^•, Н, NO, СН3^•, С2Н5^•, СnH 2n+1^•.

Электрофильная частица (электрофил) - несет положительный заряд или частичный б+, присутствует свободная орбиталь, у атома углерода в карбокатионе тип гибридизации sp². Электрофилы: Н⁺, СI⁺ , Вr⁺, I⁺, карбокатионы СН3⁺, С2Н5⁺.

Нуклеофильная частица (нуклеофил) - отрицательно заряженные частицы (Н^-, Сl ^-, Вr^- ОН^-, RO^-, RS^-, RСОО^-) и молекулы, содержащие атомы с неподеленными парами электронов (НОН, ROH, NH3, RNH2 RSH).

В зависимости от условий реакций многие вещества (НОН, ROH, NH3, RNH2, RSH) могут выступать как нуклеофилы и электрофилы.

Реакции электрофильного присоединения. Механизм реакции электрофильного присоединения состоит из стадий последовательного образования промежуточных активных частиц:

присоединение электрофила – образование π- комплекса - превращение в σ-комплекс (карбокатион ) – «выбор» более устойчивого σ- комплекса- присоединение нуклеофила .

Донорные заместители направляют реакцию по правилу Марковникоа, акцепторные - против правила Марковникова.

Пример записи реакций и правила присоединения

СН2=СН -СН3 + НCl ——>CН3- CНCl - СН3

2- хлорпропан

СН2=СН -СООН + НCl ——>CН2Cl – CН2 – СООН

3-хлорпропановая кислота

Реакции нуклеофильнго присоединения.

Донорные заместители снижают скорость реакции AN , акцепторные – увеличивают.

В ряду соединений

Формальдегид > ацетальдегид > ацетон

————> ( скорость реакции падает)

Эта зависимость указывает, что первым этапом является атака нуклеофилом (AN) атома углерода карбонильной группы, на которой заряд δ⁺.

δ⁺ δ^-

>С = О

Акцептор увеличивает δ⁺ и ускоряет присоединение.

Реакции электрофильного замещения. Механизм реакции электрофильного замещения состоит из стадий: образование π- комплекса – преврещение в σ комплекс (карбокатион) - выброс протона Н⁺ - образование устойчивого продукта замещения.

В организме встречается при синтезе тиреоидных гормонов.

Реакция электрофильного замещения в ароматическом цикле

тирозина при синтезе тиреоидных гормонов.

Окислительно-восстановительные реакции in vitro и in vivo.

Определение: реакции окисления органического соединения сопровождается отнятием 2 атомов водорода или введением атома кислорода, реакции восстановления сопровождаются присоединением двух атомов водорода или удалением атома кислорода.

В реакциях in vivo окисляются функциональные группы: первичные и вторичные спиртовые, альдегидные, аминогруппы, тиольные. В карбоновых кислотах in vivo осуществляется дегидрирование углеродной цепи.

Большинство реакций окисления происходят с участием ферментов, в составе которых присутствуют особые молекулы (коферменты), способные принимать и отдавать электроны. К ним относятся динуклеотиды : никотинамиддинуклеотид и флавинадениндинуклеотид.

Никотинадениндинуклеотид

НАД⁺ - окисленная форма, НАДН + Н⁺- восстановленная форма.

НАД⁺ / НАДН+ Н⁺ - окислительно-восстановительная пара, кофермент НАД⁺ обычно участвует в реакциях окисления спиртовых, альдегидных, амино, тиольных групп.

Флавинадениндинуклеотид.

ФАД - окисленная форма

ФАДН2 – восстановленная форма

ФАД / ФАДН2 - окислительно-восстановительная пара

Для коферментов ФАД/ ФАДН2 характерно участие в обратимых реакциях окисления (дегидрирования)/ восстановления( гидрирования) в положениях а,,β углеводородной цепи активных форм карбоновых кислот и янтарной кислоты в цикле Кребса).

Реакции окисления, характерные in vivo

Таблица 5

№№	Реакция	Окисляемая группа	Продукт окисления
1	Окисление первичной спиртовой группы в альдегидную*	–СН2- О-Н	-СН =О
2	Окисление вторичной спиртовой группы в кетоновую*	│ Н-С-О-Н │	>С=О
3	Окисление первичной аминогруппы в имино с последующим гидролизом до кетона( или адьдегида) и аммиака *	│ Н-С-NН2 │	>С=О + NН3
4.	Окисление тиольных групп с образование дисульфида *	│ -С- S -Н │	-С- S – S- C-
5.	Дегидрирование насыщенной углеродной цепи и превращение в ненасыщенную *	-СН2-СН2-	-СН=СН-
6.	Окисление альдегидной группу в карбоксильную	-СН =О	- СООН

* всегда обратимые реакции

Примеры записи реакций:

лактат пируват

а. СН3-СН-СООН + НАД⁺ ↔ СН3-С-СООН + НАДН + Н⁺

^{| | |}

OH O

янтарная кислота фумаровая( цис)

б. НООС – СН2-СН2-СООН + ФАД ↔ НООС- СН=СН –СООН + ФАДН2

этиламин 1,2 – диэтилдисульфид

в. 2 С2Н5 – SH + [O] ——> С2Н5 – S- S –С2Н5

Окисление альдегидов происходит только в виде гидратированных соединений, полуацеталей, тиополуацеталей. Присоединение воды, спирта, тиола – реакция SN

Н

/ НАД+ ——> НАДН + Н+

R – C =О + НОН ↔ R – C - ОН ————> R – C =О

\ \ \

Н OН OH

Механизм реакции окисления с участием кофермента НАД ⁺

Н Н ^–

: гидрид- ион присоединяется к молекуле НАД ⁺ в положение 4

СН3 – С- СООН + НАД ⁺——> СН3 – С- СООН + НАДН + Н⁺

| | |

О •• Н О

Н⁺

Протон переходит в раствор

Оставшаяся пара электронов образует двойную связь.

Восстановленная форма НАДН является неустойчивой, поскольку в пиридиновом цикле исчезает ароматический секстет и единая пи-электронная система. Атом углерода в положении - 4 имеет тетраэдрическое строение.

Именно вновь присоединенный (в виде гидрида Н^–) атом водорода

( выделен жирным шрифтом) затем удаляется при окислении восстановленной формы НАДН и передается следующему окислителю (это называется «молекулярная память») и, в конечном итоге, включается в конечные продукты обмена (молочная кислота в анаэробных условиях или вода в аэробных условиях)

удаляется

НАДН + Н⁺ + Х ——> НАД ⁺ + Х-Н

( Х- окислитель для НАДН )

Обучающая задача 1

В процессе обмена высших жирных кислот в организме (катаболизм и синтез) образуются промежуточные соединения, содержащие двойную связь в положении 2,3 (положение а,β), которые подвергаются реакции гидратации и образуются 3(β) - гидроксипроизводные. Определите, соответствуют ли строение получающегося продукта реакции механизму реакции А _Е?

Решение

1. Запишем уравнение реакции гидратации

R – CН=CН –CООН + НОН ——> R – CН(ОН) -CН2 –CООН

3(β)-гидроксикарбоновая кислота

2. Составим схему реакций по стадиям с учетом механизма.

а.) ориентация протона и образование π- комплекса

R – CН=CН –CООН + Н⁺ ——> R – CН=CН –CООН

Н+ π- комплекс

б.) Образование двух возможных σ- карбокатионов

R – CН=CН –CООН

Н+ π- комплекс

+ +

R – CН2-CН –CООН R – CН-CН2 –CООН

σ 1 σ2

в.) Сравним устойчивость карбокатионов σ 1 и σ2

В карбокатионе σ 1 положительно заряженный атом углерода С2 связан непосредственно с акцепторной карбоксильной группой, индуктивное действие способствует увеличению положительного заряда. В карбокатионе σ 2 положительно заряженный атом углерода С3 отделен от карбоксильной группы мостиком -СН2 -, который уменьшает акцепторное действие. Можно сказать, что в карбокатионе σ2 величина положительного заряда меньше по сравнению с карбокатионом σ1.

г.) На следующей стадии реакции - присоединение нуклеофила, должна участвовать более устойчивая, дольше живущая частица.

Устойчивость промежуточных карбокатионов обратно пропорционально величине заряда. Чем меньше заряд, тем более устойчива частица: σ2 более устойчив по сравнению с σ1.

д.) на этой стадии нуклеофил присоединяется к электрофильному центру С3 в σ2-катионе.

+

R – CН-CН2 –CООН + Н-ОН ——> R – CН( ОН)-CН2 –CООН + Н⁺

Образуется 3(β)-гидроксикарбоновая кислота. Строение продукта реакции соответствует механизму реакции А _{Е .}

Обучающая задача 2.

Гормоны адреналин и норадреналин оказывают различное действие на некоторые направления обмена веществ, ходя имеют незначительное структурное отличие, которое, очевидно, является решающим в отношении биологической активности. Для превращения in vivo норадреналина в адреналин необходимо участие аминокислоты метионина и витамина В12. Предложите этот путь синтеза in vitro, укажите механизм реакции.

Решение

1.Напишем формулы норадреналина и адреналина, сравним их строение.

норадреналин адреналин

Отличие заключается в отсутствии N- метильной группы в норадреналине (термин «нор» всегда обозначает отсутствие метильной группы: в норадреналине нет метильной группы по сравнению с адреналином).

2.Для превращения норадреналина в адреналин необходимо провести реакцию метилирования: замещение одного атома водорода в аминогруппе на метильную группу. Это обычная реакция превращения первичного амина во вторичный, ее проводят, нагревая амин с хлоралканом (хлорметаном).

R-NH2 + CH3Cl ——> R-NH-CH3 + HCl

3.Механизм данной реакции следует отнести к SN – реакции нуклеофильного замещения. Амин - нуклеофил, который замещает такую же нуклеофильную группу галоген в хлорметане (обычно употребляемое выражение « замещение атома водорода на метильную группу» является неверным с точки зрения механизма реакции). Основные и нуклеофильные свойства аминов связаны с присутствием неподеленной пары электронов на атоме азота N sp³

δ - δ+ δ-

R-NH2 + CH3 → Cl ——> R-NH-CH3 + HCl

4. Превратить норадреналин в адреналин можно аналогичным способом. В норадреналине две нуклеофильные группы: амино и гидрокси.

норадреналин адреналин

δ+ δ-

+ CH3 → Cl ——> + НCl

Нуклеофильную атаку осуществляет та группа, которая обладает более свободной неподеленной электронной парой (группа, которая проявляет большие основные свойства). Аминогруппа более основна по сравнению с гидроксигруппой, поэтому нуклеофильную атаку осуществляет аминогруппа, и «замещение атома водорода » происходит в аминогруппе, а не в гидроксильной группе.

Обучающая задача 3

Реакции элиминирования представляют собой большое направление важных биохимических реакций. Их осуществляют ферменты класса лиаз. В клетках in vivo наблюдается элиминирование воды из гидроксикислот, аминогруппы из аминокислот, образуются непредельные карбоновые кислоты.

Какая непредельная кислота образуется при дегидратации 3-гидроксикарбоновой кислоты? Эта реакция- этап в синтезе и распаде высших карбоновых кислот (стеариновой, олеиновой и других).

Решение.

1.Запишем структурную формулу любой 3- гидроксикарбоновой кислоты и проставим нумерацию атомов углерода в цепи.

4 3 2 1

R—СН2 – CH —CH2—COOH

|

ОН

2. Реакция элиминирования воды происходит при удалении гидроксигруппы и одного из атомов водорода от соседних атомов углерода С2 или С3. В условиях in vitro реакцию элиминирования проводят в присутствии концентрированной серной кислоты при температуре выше 140⁰. Протон серной кислоты присоединяется к атому кислорода гидроксильной группы, обруется гидроксидкатион, затем удаляется вода.

R—СН2 – CH —CH2—COOH + Н⁺ → R—СН2 – C H —CH2—COOH

| | гидроксидкатион

ОН НОН

⁺

→ R—СН2 – CH —CH2—COOH + НОН

+ карбокатион

После удаления воды образуется карбокатион. Для стабилизации карбокатиона необходимо удаление (выбрасывание) протона от атомов С2 или С3 для того, чтобы оставить пару электронов для образования двойной связи.

3. Запишем две возможные структурные формулы образующихся непредельных кислот

После удаления протона от атома С3 образуется непредельная кислота, содержащая двойную связь в положении 3,4. В этой кислоте не образовалась сопряженная система между двойной связью цепи и карбоксильной группой.

R—СН = CH —CH2—COOH

3,4- непредельная кислота

После удаления протона от атома С2 образуется непредельная кислота, содержащая двойную связь в положении 2,3. В этой кислоте образовалась сопряженная система, включающая двойные связи цепи и карбоксильной группы.

R—СН2— CH =CH2—COOH

2,3 - непредельная кислота

4. В соответствии с механизмом реакции in vitro с участием ферментов класса лиазы в условиях in vivo также образуется 2,3- непредельная кислота.

МОДУЛЬ II

ПРИРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ - БИОЛОГИЧЕСКИЕ

АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА ОРГАНИЗМА