Тема V. Гидрокси- и оксокислоты

Среди биологически активных соединений большую роль играют различные карбоновые кислоты и их производные. К важнейшим производным карбоновых кислот относятся оксикислоты, имеющие одну или несколько гидроксильных групп (-OH), оксокислоты, содержащие кетогруппу (>C=O). Такие кислоты являются важнейшими клеточными метаболитами, образующимися из углеводов и белков, идущими в организме на образование своих углеводов и окисление для получения энергии. Ряд гидрокси- и оксокислот являются метаболитами цикла трикарбоновых кислот (ЦТК, цикла Кребса) – центрального метаболического пути клетки.

По теме занятия студент должен:

знать следующий материал:

• систематические и тривиальные названия, структурные формулы гидрокси- и оксокислот (см. приложение к теме VII), наиболее важных для понимания метаболических процессов в организме, возможности их реакционной способности и направления химических реакций;

• важнейшие химические реакции гидрокси- и оксокислот in vitro (поведение при нагревании) и in vivo (участие в химических реакциях цикла Кребса);

• виды изомерии, характерные для гидрокси- (оптическая) и оксокислот (кето-енольная таутомерия);

уметь составлять пары: название – формула и формула – название для гидрокси- и оксокислот; сравнивать кислотные свойства гидрокси- и оксокислот; составлять уравнения реакций важнейших реакций кислот in vivo (формулами); записывать стереоизомеры гидроксикислот (энантиомеры в виде проекций Фишера) и таутомерные формы оксокислот;

владеть навыками проведения и знаниями применения качественных реакций определения гидрокси- и оксокислот (молочной и пировиноградной, β-гидроксимасляной и ацетоуксусной) в биологических жидкостях человека; знаниями биологического значения гидрокси- и оксокислот и их использования в медицине.

Вопросы для подготовки

1. Гидроксикарбоновые кислоты: моно-, ди-, трикарбоновые, физические свойства, биологическое значение. Сравнение кислотных свойств с карбоновыми кислотами.

а. моногидроксикарбоновые: гидроксиуксусная (гликолевая), 2-гидроксипропановая (D- и L- молочная, лактат), 3-гидрокси-бутановая (β-гидроксимасляная), γ-гидроксимасляная;

б. моногидроксидикарбоновые: 2-гидроксибутандиовая (D и L- яблочная, малат);

в. моногидрокситрикарбоновые: лимонная, изолимонная.

Химические свойства: реакции дегидратации, окисления, образования эфиров.

2. Оксокарбоновые кислоты: а. монооксомонокарбоновые: оксоэтановая (глиоксалевая), оксопропановая (пировиноградная), 3-оксобутановая (β-оксомасляная, ацетоуксусная);

б. монооксодикарбоновые кислоты (кислоты цикла Кребса): 2-оксобутандиовая (щавелевоуксусная, оксалоацетат), α-кетоглу-таровая.

3. Химические свойства: реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе, восстановления, декарбоксилирования, кето-енольная таутомерия.

4. Качественные реакции обнаружения молочной и пировиноградной кислот.

5. Биологическое значение гидрокси- и оксокарбоновых кислот. Состав «кетоновых тел».

Задачи и упражнения

1. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот и объясните различия:

- янтарная и яблочная; - уксусная и гликолевая;

- молочная и пропановая; - молочная и пировиноградная.

2. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:

а) 1) уксусная, 2) пировиноградная, 3) молочная;

б) 1) яблочная, 2) янтарная, 3) щавелевоуксусная;

в) 1) молочная, 2) β-гидроксимасляная, 3) пропановая;

г) 1) яблочная, 2) щавелевоуксусная, 3) бутановая.

3. Напишите уравнения особых химических реакций гидроксикислот:

3.1. реакция элиминирования (внутримолекулярная дегидратация)

а) 3-гидроксибутановая ↔ кротоновая + НОН

б) яблочная ↔ фумаровая + НОН

3.2. реакции окисления, образование кетокислот

а) молочная + НАД⁺ ↔ пировиноградная + НАДН + Н⁺

б) яблочная + НАД⁺ ↔ щавелевоуксусная + НАДН + Н⁺

в) изолимонная +НАД⁺ ↔ α-кетоглутаровая + НАДН + Н⁺

4. Запишите уравнения особых химических реакций оксокислот:

• стереоспецифическая реакция восстановления in vivo, образование D- или L- гидроксикарбоновых кислот.

4.1. реакции восстановления, образования гидроксикислот:

а) пировиноградная + НАДН + Н⁺ ↔ молочная + НАД⁺

б) щавелевоуксусная + НАДН + Н⁺ ↔ яблочная + НАД⁺

4.2. реакция декарбоксилирования α- и β – оксокислот

а) пировиноградная → уксусный альдегид + СО₂

б) ацетоуксусная → ацетон + СО₂

4.3. Реакция окисления пировиноградной кислоты in vivo с образованием ацетил КоА

ПВК + НАД⁺ + коэнзим А → ацетил-КоА + НАДН + Н⁺ + СО₂

4.4 Кето-енольная таутомерия оксокислот: пировиноградной, ацетоуксусной, щавелевоуксусной. Строение и биологическая роль фосфорного эфира пировиноградной кислоты – макроэргического соединения.

5. Составьте уравнения реакций, соответствующих превращениям in vivo, которые изучаются в курсе биохимии:

а) молочная кислота ↔ пировиноградная → уксусный альдегид;

б) янтарная кислота ↔ фумаровая ↔ яблочная ↔ щавелевоуксусная;

в) щавелевоуксусная ↔ яблочная ↔ фумаровая ↔ янтарная;

г) бут-2-еновая кислота (кротоновая) ↔ β-гидроксимасляная ↔ ацетоуксусная → ацетон;

д) лимонная → цис-аконитовая → изолимонная.

6. Запишите уравнения химических реакций:

1) термическое разложение пировиноградной кислоты;

2) гидратация фумаровой кислоты и образование L- и D–яблочных кислот;

3) термическое разложение 3-оксобутановой кислоты.

7. Запишите качественные реакции:

1. обнаружение фенола в растворе (применение соли хлорида железа (III));

2. обнаружение молочной кислоты (с участием фенолята железа).

8. Запишите структурные формулы кислот в последовательности реакций цикла Кребса. Назовите все полученные соединения в соответствии с номенклатурой ИЮПАК:

щавелевоуксусная кислота + ацетил-КоА (1) → лимонная кислота (2) → изолимонная кислота (3) → α-кетоглутаровая кислота (4) → янтарная кислота (5) → фумаровая кислота (6) → яблочная кислота (7) → щавелевоуксусная кислота (8).

Тесты

1. В состав «кетоновых тел» входят соединения:

1. уксусная кислота 2. ацетон

3. яблочная кислота 4. 2-гидроксипропановая

5. β-гидроксимасляная 6. β-оксомасляная

а) 1, 2, 3 б) 2, 3, 4 в) 4 ,5, 6

г) 2, 5, 6 д) 2, 3, 6

2. К гидроксикарбоновым кислотам относятся кислоты:

а) молочная, пировиноградная; б) молочная, яблочная;

в) пировиноградная, малоновая; г) янтарная, молочная;

д) щавелевоуксусная, яблочная.

3. К оксокарбоновым кислотам относятся кислоты:

а) пировиноградная, щавелевоуксусная;

б) яблочная, щавелевоуксусная;

в) янтарная, лимонная;

г) молочная, малоновая;

д) лимонная, пировиноградная.

4. Дикарбоновыми кислотами являются:

а) лимонная, янтарная, щавелевая;

б) щавелевоуксусная, янтарная, яблочная;

в) лимонная, яблочная, щавелевая;

г) щавелевая, янтарная, молочная;

д) молочная, янтарная, бутановая.

5. Выберите гидрокситрикарбоновую кислоту:

а) янтарная б) фумаровая в) лимонная

г) пировиноградная д) молочная

6. Какую кислоту получают при дегидратации яблочной кислоты:

а) малоновую б) фумаровую в) янтарную

г) пировиноградную д) молочную

7. Какие две кислоты превращаются друг в друга в окислительно-восстановительной реакции:

а) молочная и малоновая

б) пировиноградная и щавелевоуксусная

в) молочная и пировинограданая

г) яблочная и янтарная

д) фумаровая и яблочная

8. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:

1) уксусная 2) пировиноградная 3) молочная

а) 1 >2 > 3 б) 1 > 3 > 2 в) 2 > 3 > 1

г) 2 > 1 >3 д) 3 >1 >2 e) 3 > 2 > 1

9. Какое вещество образуется при окислении пировиноградной кислоты in vivo:

а) молочная кислота б) малоновая кислота

в) ацетоуксусная кислота г) ацетил-КоА

д) уксусный альдегид

10. Сравните кислотные свойства карбоновых кислот:

1) яблочная 2) янтарная 3) щавелевоуксусная

а) 1 >2 > 3 б) 1 > 3> 2 в) 2 > 3 > 1

г) 2 > 1 > 3 д) 3 >1 > 2

Ответы к теме V

1г; 2б; 3а; 4б; 5в; 6б; 7в; 8в; 9г; 10д.