4. Пространственное строение молекул и их биологическая активность
Прежде чем мы рассмотрим вопрос о связи пространственного строения молекул с их активностью в различных процессах, протекающих в живом организме, попытаемся ответить на другой вопрос: почему у энантиомеров одинаковые химические свойства?
Энантиомеры – это прежде всего изомеры, т.е. их качественный и количественный состав одинаковый, одинаковый порядок связей. Отличаются они только расположением в пространстве групп у асимметрического центра. Если реагент подходит к реакционному центру одного и другого энантиомера, то в обоих случаях он встречает одинаковое окружение, если только не учитывать того факта, что одно окружение является зеркальным отражением другого. Это не будет влиять на химический процесс в том случае, если реагент оптически недеятелен.
Когда атакующий реагент оптически активен, энантиомеры оказывают на него разное влияние, и скорость реакций с этими зеркальными антиподами иногда различна настолько, что реакция с одним из энантиомеров практически не осуществляется совсем.
В биологических системах такая стереоспецифичность является правилом, а не исключением, поскольку все важные
катализаторы биохимических процессов (ферменты) и большинство соединений, получаемых с их помощью, оптически активны.
Все ферменты имеют белковую природу и построены из L-аминокислот. Первые сведения о стереоспецифичности ферментов были получены в 1858 году Пастером при изучении действия зелёной плесени на рацемическую винную кислоту. Оказалось, что из двух изомеров этой кислоты расщепляется правовращающий изомер, а левовращающий накапливается.
Значительно позже (начиная с 1894 года) большую работу, связанную с вопросом специфичности действия ферментов, провел Фишер, который показал, что каталитическое действие ферментов строго стереоспецифично. Впоследствии строгую специфичность ферментов стали понимать так - каждый фермент соответствует строго определённому субстрату как «ключ к отпираемому замку».
В отличие от классических химических синтезов, где всегда получаются оптически недеятельные продукты- рацематы, реакции ферментативного синтеза приводят к образованию строго определённых стереоизомеров.
Так, например, из углекислого газа и воды (при фотосинтезе) образуется D-глюкоза.
Из молочной кислоты в организме животных образуется тоже только D-глюкоза. L-глюкоза не является продуктом метаболизма.
В растениях синтезируются аминокислоты L-ряда. В животных организмах из α-кетокислот и аммиака синтезируются также аминокислоты только L- ряда .
Всё это позволяет говорить о том, что ферментативные синтезы относятся к стереоспецифическим и приводят к образованию определённых стереоизомеров.
Важным аспектом стереоспецифичности биологических процессов является вопрос о взаимодействии лекарственных препаратов с рецепторами клетки. Это взаимодействие протекает наиболее полно в том случае, когда молекула лекарственного вещества имеет такую конфигурацию, которая позволяет ей наиболее полно связываться с рецепторами клетки.
4. ЦИС-ТРАНС-ИЗОМЕРИЯ (π-ДИАСТЕРЕОМЕРЫ)
Это вид стереоизомерии, связанный с различным расположением одинаковых заместителей у соседних sp2–гибридизованных атомов углерода.
Если два одинаковых заместителя (или два атома водорода) расположены по одну сторону двойной связи - это цис-изомер, если по разные стороны – транс-изомер, например:
цис-пентен- 2 транс-пентен-2
Отсутствие вращения вокруг двойных связей – главная причина появления такого вида изомерии, так как конфигурация алкена становится устойчиво плоской. Цис-транс-изомеры не содержат асимметрического атома углерода, следовательно их молекулы ахиральны. Однако эти изомеры в пространстве несовместимы, значит они стереоизомеры, но т.к. они не являются зеркальным отражением друг друга, то это не энантиомеры, а диастереомеры.
Цис-изомеры (вследствие пространственной близости заместителей) более богаты энергией и имеют более низкие температуры кипения и плавления. Цис-изомеры менее устойчивы, поэтому в природе более распространены транс-изомеры. Например, в растениях содержится транс-бутен-2-диовая кислота (фумаровая), цис-изомер – малеиновая кислота в природных соединениях не встречается.
транс- изомер цис-изомер
фумаровая кислота малеиновая кислота
Как все диастереомеры, цис – и транс-изомеры имеют разные химические свойства. Так, например, малеиновая кислота,
карбоксильные группы которой пространственно сближены, может отщеплять молекулу воды и образовывать малеиновый ангидрид.
Фумаровая кислота ангидрида не образует.
малеиновая кислота малеиновый ангидрид
Цис- и транс-изомеры могут переходить друг в друга. Более богатые энергией цис-изомеры переходят в транс-изомеры. Обычно это происходит при действии радикальных, а иногда и электрофильных реагентов. Например, олеиновая кислота (цис-изомер) под действием оксида азота (II), имеющего неспаренный электрон, переходит в элаидиновую кислоту (транс-изомер).
олеиновая кислота элаидиновая кислота.
цис- изомер транс- изомер
Транс-изомер может перейти в цис-форму, но для этого требуется дополнительная энергия (как правило, в виде облучения ультрафиолетом).
π-Диастереомерия встречается и в природных сопряжённых полиеновых соединениях, таких как, например, β-каротин и витамин А.
В молекуле витамина А содержится несколько двойных связей и относительно каждой из них метильные радикалы находятся в транс- положении.