10. Ненасыщенные дикарбоновый кислоты: фумаровая, малеиновая их пространственное строение.

Малеиновая и фумаровая кислоты - представители ненасыщенных дикарбоновых кислот с одной двойной связью. Фумаровая кислота участвует в обменных процессах, протекающих в организме.

На этих кислотах была впервые изучена цис-транс-изомерия этиленовых соединений. Малеиновая кислота термодинамически менее устойчива, чем фумаровая. Поэтому при нагревании и под действием радикалобразующих веществ (йода, оксидов азота, азотистой кислоты) малеиновая кислота превращается в фумаровую с выделением теплоты.

Малеиновая кислота ядовита и среди природных соедине­ний не найдена. Фумаровая кислота содержится во многих рас­тениях, но особенно много ее в грибах. В человеческом организме она участвует в метаболизме и, присоединяя воду по кратной свя­зи, образует яблочную кислоту в цикле Кребса.

10. Гидроксикарбоновые кислоты: гликолевая, молочная, яблочная, лимонная, изолимонная, - и -гидроксимасляные. Химические свойства: реакции дегидратации, окисления, образования эфиров.

Содержат функциональную гидроксильную группу. В природе встречаются моно- , ди -, трикарбоновые кислоты, содержащие одну или несколько гидроксильных групп.

Моногидроксимонокарбоновые кислоты

Содержат две функциональные группы

- карбоксильную и гидроксильную ( первичную, вторичную, третичную), которые определяют их химические свойства

Для моногидроксикарбоновых кислот характерна изомерия:

- структурная (связана со строением скелета и положением гидроксильной группы)

- оптическая (стерео), проявляющаяся в существовании энантиомеров.

Гидроксикарбоновые кислоты хорошо растворимы в воде.

Гомологический ряд начинается с гидроксиуксусной (гликолевой) кислоты.

СН₂ – СООН

|

ОН

Твердое кристаллическое вещество. Обнаружена в свекловичном соке, репе, незрелом винограде. Применяется в промышленности для дубления кож, а в косметологии - самостоятельно или в составе «фруктовых кислот» в качестве химического пилинга для удаления части наружного мертвого эпителиального слоя кожи.

Гидроксипропановые кислоты - возможны 2 структурных изомера.

2-гидроксипропановая кислота (молочная, лактат) - важнейший природный метаболит, образуется из углеводов (глюкозы, крахмала, гликогена) в условиях анаэробного обмена (в отсутствии кислорода).

Содержит асимметрический ( * ) атом углерода, существует в виде двух изомеров: L-лактата и D –лактата.

Молочная кислота широко распространена в природе как продукт молочнокислого брожения лактозы, содержащейся в молоке, и других углеводов, входящих в состав овощей и плодов. Кислое молоко, кефир, кислая капуста, моченые яблоки и т.д. содержат в значительном количестве молочную кислоту, образующуюся в результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий. Соли называют лактаты. Молочная кислота содержит асимметрический атом углерода, поэтому может существовать в виде двух энантиомерных форм. В организме L-(+)-молочная кислота, называемая также мясомолочной кислотой, является одним из продуктов превращения глюкозы (гликолиза). Она накапливается в мышцах при интенсивной работе, вследствие чего в них возникает характерная боль. Причина накопления молочной кислоты – недостаток кислорода, что вызывает восстановление пировиноградной кислоты в молочную с участием кофермента НАДН.

Соли молочной кислоты носят название лактаты, в медицине молочную кислоту используют для пилинга, для оценки функции печени. В пищевой промышленности ее добавляют к сокам, эссенциям.

В биохимических реакциях важную роль играет обратимая реакция окисления молочной кислоты в пировиноградную, которая протекает в печени, миокарде и других органах и тканях организма в присутствии кислорода.

фермент лактатдегидрогеназа

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

| | |

ОН О

молочная кислота пировиноградная кислота

Гидроксибутановые кислоты.

Биологическое значение имеют 2 изомера: 3-гидроксибутановая кислота и 4-гидроксибутановая кислота

3-гидроксибутановая кислота (ß-оксимасляная) – образуется в связанном состоянии с белком-ферментом в процессе биосинтеза высших карбоновых кислот, L –стереоизомер образуется в печени и в свободном виде выделяется в кровь, поступает в мышцы и выполняет энергетические функции, участвуя в реакциях цикла Кребса. Эта биологическая функция обозначается как «кетоновое тело».

СН₃ – СН – СН₂ - СООН

|

ОН

3-гидроксибутановая кислота | L -3-гидроксибутановая кислота

В биохимических реакциях in vivo 2 превращения имеют важное значение для протекания обмена веществ:

- реакция окисления (образуется 3–оксобутановая кислота):

СН₃ – СН – СН₂- СООН + НАД⁺ < —————> СН₃ – С – СН₂ - СООН + НАДН + Н⁺

| | |

ОН О

3-оксобутановая кислота

(ацетоуксусная)

- реакция дегидратации (образуется 2-бутеновая – кротоновая кислота):

СН₃ – СН – СН₂ - СООН <—————> СН₃ – СН = СН - СООН + Н₂О

| более сильный

ОН кислотный центр 2-бутеновая( кротоновая) кислота

В таком же направлении проходит реакция in vitro (по правилу Попова-Зайцева)

Дегидратация 3-гидроксибутановой кислоты относится к реакциям элиминирования. Из двух возможных изомеров образуется только один, поскольку атомы водорода, связанные с атомом углерода С-2 являются более подвижными. Вследствие акцепторного действия карбоксильной группы у атома С-2 образуется более сильный кислотный центр, чем у С-4. Реакция обратима, при гидратации кротоновой кислоты образуется 3-гидроксибутановая кислота.

4-гидроксибутановая (γ–оксимасляная, ГОМК)

СН₂– СН₂ – СН₂- СООН

‌|

ОН

В организме человека γ - оксимасляная кислота образуется в нейронах мозга и обладает фармакологическим эффектом, является медиатором торможения центральной нервной системы.

Используется как лекарственный препарат только в виде соли - натрия оксибутирата (Natrii оxybutyras), чтобы исключить образование лактона, поскольку лактон не обладает фармакологическом эффектом.

NB! Врач-анестезиолог должен помнить, что при изменении нормального значения рН крови в кислую сторону (что часто встречается при недостатке кислорода) происходит превращение натрия оксибутирата в γ- оксимасляную кислоту, которая сразу образует неактивный бутиролактон и эффективность действия препарата снижается.

Гидроксидикарбоновые кислоты (содержат две карбоксильные группы)

Моногидроксидикарбоновая кислота – 2-гидроксибутандиовая (оксиянтарная, яблочная кислота, малат) – биологически активное соединение, присутствует в тканях животных, человека, в растениях ( много в рябине, барбарисе). Впервые выделена К.Шееле в 1785 г. из незрелых яблок

НООС – СН₂ – СН – СООН

|

ОН

Существует в виде двух стереоизомеров и рацемической смеси. L-малат образуется в процессе реакций цикла Кребса. Присутствие гидроксильной группы делает возможным две реакции: элиминирования и окисления.

Обратимая реакция элиминирования (дегидратации) приводит к образованию более устойчивого транс-изомера бутендиовой кислоты – фумаровой. В условиях in vivo эта реакция происходит в процессе цикла Кребса.

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

фумаровая кислота

(транс-бутендиовая)

Обратимая реакция окисления сопровождается образованием кетокислоты: 2-оксобутандиовой (оксоянтарной, щавелевоуксусной )

НООС- СН-СН₂-СООН + НАД ⁺ НООС-С –СН₂ -СООН

| | |

ОН О

щавелевоуксусная кислота (ЩУК)

Яблочную кислоту в медицине применяют в составе слабительных средств и препаратов от хрипоты. 

Гидрокситрикарбоновая кислота - лимонная, изолимонная кислоты

CООН СООН

| |

НООС - СН₂ – С - СН₂- СООН НООС - СН-СН-СН₂-СООН

| |

ОН ОН

лимонная кислота изолимонная кислота

Лимонная кислота (цитрат) твердое кристаллическое вещество, растворима в воде.

Принадлежит к наиболее распространенным кислотам растений: в большом количестве находится в соке лимонов( 6-8%), в смородине, бруснике, в свекольном соке, хвое, вине. В животных и человеческих клетках образуется в митохондриях, где в матриксе с ее участием проходит комплекс реакций, получивших название «цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот).

Образует кислые и средние соли, связывает ионы кальция, ее используют в качестве антикоагулянта, добавляя к препаратам крови для предотвращения свертываемости, поскольку ионы кальция входят в состав факторов свертывающей системы крови.

При дегидратации лимонная кислота превращается в аконитовую (в реакциях цикла Кребса в цис-аконитовую). Гидратация цис -аконитовой сопровождается образованием изомера - изолимонной кислоты.

Лимонная и изолимонная кислоты отличаются положением гидроксигруппы: цитрат – третичный спирт, а изоцитрат – вторичный.

NB! Только у изолимонной кислоты гидрокси- группа может окисляться и эта реакция используется в цикле Кребса.

Лимонную кислоту используют в пищевой промышленности при изготовлении соков, напитков, кондитерских изделий, в медицине- добавка в производстве ряда лекарственных препаратов ( цитрамон – против головной боли), стерильный 4-5%раствор цитрата натрия используют для консервирования крови.

Образование эфиров.

a-Гидроксикислоты дегидратируются межмолекулярно, при этом спиртовые группы взаимодействующих молекул взаимно ацилируются карбоксильными группами этих кислот с образо­ванием устойчивых циклических сложных эфиров, называемых лактидами (от латинского названия молочной кислоты):

В этой электрофильно-нуклеофильной реакции каждая молеку­ла за счет спиртовой группы выступает нуклеофилом, а за счет карбоксильной группы - электрофилом. Лактиды, как и слож­ные эфиры, при кипячении с водой в присутствии кислот или щелочей гидролизуются с образованием исходных кислот.

у- и 5-гидроксикислоты, вследствие пространственной бли­зости —ОН и СООН-групп, очень неустойчивы и легко отщеп­ляют молекулу воды вследствие внутримолекулярного ацилирования спиртовой группы с образованием устойчивых пяти- и шестичленных циклических внутренних сложных эфиров -лактонов: