Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Биоорганическая химия. Справочник, словарь

.pdf
Скачиваний:
41
Добавлен:
05.03.2021
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

Нуклеотиды -фосфорные эфиры нуклеозидов. Химический состав: азотистое основание (А.О.) +пентоза +фосфорная кислота. Фосфорные эфиры образуются с участием гидроксильных групп пентоз. Места положения фосфорноэфирных групп принято обозначать, используя обозначение ('), например: 5', 3'

Классификация нуклеотидов. Нуклеотиды, состоящие из одной молекулы азотистого основания, пентозы, фосфорной кислоты, называются мононуклеотидами. Мононуклеотиды могут содержать одну молекулу фосфорной кислоты, две или три молекулы фосфорной кислоты, соединенных друг с другом.

Комбинация из двух мононуклеотидов называется динуклеотидом. см( .)

В составе динуклеотида обычно присутствуют разные азотистые основания или одно другое циклическое соединение,например,витамин.

Особую роль

вбиохимическихпроцессахиграютциклическиемононуклеотиды(см).

Номенклатура

мононуклеотидов: к названию нуклеозида обавляют

«монофосфат»,

«дифосфат», «трифосфат», в зависимости от количества фосфатных

остатков, с указаниемих

места положения в цикле пентозы - цифровое обозначение

места со значком (')Положение.

фосфатной группы в положении(5')является

наиболее распространенным и типичным, поэтому его можно не указывать (АМФ, ГТФ, УТФ, д АМФ и т.д.). Остальные положения обозначаются обязательно (3'-

АМФ, 2'- АМФ , 3'- дАМФ и т.д.) таблица(

4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NH2

 

CH2OPO3H2

 

 

N

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

N

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

H

 

 

 

 

 

OH

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

5'- аденозинмонофосфат

 

(5'АМФ-

 

или АМФ )

131

Таблица 4

Названия наиболее распространенных нуклеотидов

нуклеозид

нуклеозидмонофосфат

нуклеозиддифосфат

нуклеозидтрифосфат

 

 

 

 

аденозин

5'-Аденозинмонофосфат

5'-Аденозиндифосфат

5'-Аденозинтрифосфат

(5'-АМФ

или АМФ)

(5'АДФ-

или АДФ)

( 5'АТФ-

или АТФ )

 

5' -адениловая кислота

 

 

 

 

аденозин

3'-аденозинмонофосфат

не встречается

не встречается

( 3'АМФ-

)

in vivo

 

in vivo

 

 

3' -адениловая кислота

 

 

 

 

 

 

гуанозин

5'-гуанозинмонофосфат

5'-гуанозиндифосфат

5'-гуанозинтрифосфат

 

(5'-ГМФ

или ГМФ)

(5'-ГДФ

или ГДФ )

(5'-ГТФ

или ГТФ)

 

 

 

 

гуанозин

3'-гуанозинмонофосфат

не встречается

не встречается

(3'-ГМФ)

 

in vivo

 

in vivo

 

 

3'-гуаниловая кислота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дезокси

5'-дезоксиаденозин

5'-дезоксиаденозин

5'-дезоксиаденозин

аденозин

монофосфат

дифосфат

трифосфат

(5'-д АМФ или дАМФ)

(5'д- АДФили дАДФ)

(5'д- АТФили дАТФ)

 

 

 

 

уридин

5'-уридинмонофосфат

5'-уридиндифосфат

5'-уридинтрифосфат

 

(5'-УМФ

или УМФ)

(5'-УДФ

или УДФ)

(5'-УТФ

или УТФ)

 

 

 

 

цитидин

5'-цитидинмонофосфат

5'-цитидиндифосфат

5'-цитидинтрифосфат

 

(5'-ЦМФ

или ЦМФ)

(5'-ЦДФ

или ЦДФ)

(5'-ЦТФ

или ЦТФ)

 

 

 

 

 

 

 

Нуклеотиды, образованные с участием рибозы, могут содержать остатки фосфорной кислоты в трех положениях (5', 3', 2'), а с участием дезоксирибозы –

только в двух положениях (5', 3') , в положении2'

гидроксигруппа отсутствует.

Это обстоятельство очень важно для структуры ДНК.

 

 

Отсутствие гидроксигруппы

во втором положении 2-О--дезоксирибозы

имеет

позитивные последствия:

 

 

 

 

 

- уменьшается поляризация

гликозидной связи

в

ДНК, и она становится

более устойчивой к гидролизу.

 

 

 

 

 

- 2-О-дезоксирибоза не можетподвергаться

ни

эпимеризации

, ни

превращению в кетозу.

 

 

 

 

 

132

Нуклеозидмонофосфаты –кристаллические вещества, с высокими Т плавл, часто

при плавлении разлагаются.

Хорошо растворимы в воде,

не растворимы

в органических растворителях,

обладают кислотными свойствами, которые выше, чем

у входящей в их состав ортофосфорной кислоты. Образуют соли с ионами металлов, органическими основаниями. При длительном облучении УФ –лучами происходит разрушение, фотолиз пуриновых и пиримидиновых оснований. Пиримидиновые нуклеотиды более устойчивы к гидролизу по сравнению с пуриновыми.

Нуклеотиды

- биологически

активные вещества и

очень

важные

для

жизнедеятельности

организма:

нуклеозидтрифосфаты АТФ,

ГТФ,

ЦТФ и

др.

макроэргические соединения, которые обеспечивают транспорт веществ в клетки, мышечное сокращение, передачу нервных импульсов, процессы синтеза новых веществ, детоксикацию конечных продуктов обмена и ксенобиотиков. Необходимы для поддержания гомеостаза (постоянства внутренней среды организма). Циклические нуклеотиды являются внутриклеточными регуляторами метаболизма. Динуклеотиды

(НАД+, ФАД) – коферменты,

обеспечивающие протекание окислительно-

восстановительных реакций.

 

Нуклеофил( нуклеофильная частица). Отрицательно заряженную частицу,

или молекулу, в которой есть атом с неподеленной парой электронов, называют нуклеофильной (символ Nu). Нуклеофил (любящий положительно заряженное ядро) атакует во время реакции участки другой молекулы с недостатком электронной плотности, где сосредоточен заряд( б +).Наиболеераспространенные нуклеофилы в реакциях с биоорганическими веществами:

а)отрицательно заряженныеН –,НО —, RO— RCOO— , RS— ,С 1— ,Вг –, I–,

б) содержащие атомы с неподеленными парами электронов НОН , ROН , RSН, NH3, RNH2.

Нуклеофилы, по определению БренстедаЛоури, являются основаниями. Донорные заместители уменьшают устойчивость нуклеофила, т.к. увеличивают заряд

(-), акцепторные

заместители увеличивают устойчивостьнуклеофила,

поскольку

уменьшают

отрицательный заряд (чем меньше заряд, тем более устойчива частица).

Нуклеофилы,

в

которых отрицательный заряд сосредоточен на атоме углерода,

называются карбоанионами. Образование карбоанионов в реакциях с биоорганическими веществами встречается редко. С участием нуклеофилов проходят

реакциинуклеофильного

замещения SN в ряду спиртов, галогеналканов, карбоновых

кислот (образование сложных эфиров, амидов),

гидролиз белков ,

липидов,

полисахаридов, олигосахаридов, нуклеофильного

присоединения АN

в ряду

карбонильных соединений (образование

полуацеталей, оксинитрилов, азометинов).

В окислении и восстановленбиологически

активных соединений коферментами

НАД+ и НАДФ+ участвует нуклеофил анион гидрид Н -.

133

Нуклеофильное замещение. Реакции нуклеофильного замещения заключаются в вытеснении одной нуклеофильной частицы, связанной с атомом углерода, другой нуклеофильной частицей. В общем виде можно представить:

 

У – + R –> X

<==>

R –> У

+ X–

 

У – +

| б+ б -

 

 

б-

| б+

 

Х –

– CХ –>

<==>

У <– C –

+

нуклеофил(1)

|

 

 

 

|

нуклеофил(2)

приходящая

 

 

 

 

 

уходящая группа

группа

 

 

 

 

 

 

 

Приходящий нуклеофил

должен

иметьдоступную

электронную пару (это

может быть анион или молекула,

в

которойесть

атом

с неподеленной парой

электронов) и атаковатьдругую

 

молекулу по электрофильному центру, замещая

имеющуюся нуклеофильную группу.

 

 

 

 

Наиболее распространеннымиin vitro

являются превращения:

А . Обратимая реакция: спирт – галогенопроизводное / галогенопроизводное

–спирт

R-OH + НHal <==> R- Hal + Н2О

Б . Галогенопроизводное-цианопроизводное

R- HalН+ CN ——> R- CN + ННа1

В . Галогенопроизводное-амин

R- Hal + NH3 ——> R- N H2 +НС 1

Г . Этерификация карбоновая( кислота -сложный эфир) R COOH + R1ОН<==> RCOOR 1 +Н 2 О

Д. Переэтерификация (сложный эфир превращается в другой сложный эфир, этерифицированный новым спиртом)

R COOR1

+ R2ОН<==> R COOR 2 + R1 ОН

Е . Амидирование (сложный эфир -амид )

 

RCOOR1 +

NH3 <==> RCO- N H2

+ R1ОН

Ж . Гидролиз сложный эфир – кислота,амид-

кислота)

RCOOR1 +Н 2О <==> RCOOH +

R1ОН

RCO NH2

+Н 2 О <==> R COOH +

N H3

З .Образование ангидрида

 

 

R COOH + R COOH <==> R C- O- С R + Н2 О

 

||

||

 

 

О

О

 

 

134

 

 

В биохимических процессах in vivo встречаютсяреакции

(Д– З).

Выделяют реакцииS

N 1 и SN 2,которые

различаются между собой образованием

переходных

состояний,

и, вследствие этого, могут сопровождаться изомерными

отличиями

в пространственном строении

продуктов

реакции . Реакция S N2.-

бимолекулярная: в образовании переходного состояния участвуют оба нуклеофила: «приходящий и уходящий». Процесс присоединения одного и удаления другого – синхронный: один нуклеофил с противоположной стороны подходит, а другой уходит.

RCOOR1 + R2 ОН <==> RCOOR 2 + R1 ОН

Если атом углерода в электрофильном центре, у которого происходит замещение, был оптически активным, то обязательно изменяется пространственное

строение – сменаодного

стереоряда на другой.

 

 

 

 

У –

 

| б+ б -

<==> У – …

+

– … Х– <==>

|

 

Х –

+ – C –> Х

С>

У – С –

+

 

 

|

 

атом углерода

 

|

 

 

 

атом

углерода

 

тригональный плоское

 

атом углерода

 

тетраэдрический

 

строение

тетраэдрический

 

 

 

 

карбокатион

–

изменение стереоряда

 

 

 

переходное

 

состояние

 

 

 

 

Изменение стереоряда носит название«

Вальденовское обращение» по имени

ученого, впервые обратившего внимание на этот процесс.

 

 

 

 

Скорость реакцииS

N 2

зависит от концентрации обоих реагирующих веществ.

 

 

 

 

V = k [ Y– ] • [ RX ]

 

 

 

 

Заместителиакцепторы

оттягивают

электронную

плотность,

увеличивают

заряд

б +на

атоме углерода в электрофильном центре

и увеличивают

скорость

реакции нуклеофильного замещения.

 

реакцийin vivo

 

 

 

 

Реакция S N 1 -мономолекулярная

. Для

характерен механизм

нуклеофильного замещения

мономолекулярный S N 1, что связано с участием в

реакции катализаторафермента

. Этот же механизм возможен in vitro

в случае

образования устойчивого промежуточного карбокатиона

 

 

 

 

КритерииS

N 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

-концентрация приходящего нуклеофила Y– не влияет на скорость реакции.

-добавление в среду уходящего нуклеофила X – снижает скорость реакции.

Скорость реакцииS

N 1 зависит от концентрации только

RX и стабильности

образующегося промежуточного устойчивого карбокатиона.

 

 

 

V = k [ RX ]

135

Устойчивость карбокатиона увеличивается под влиянием донорных заместителей, снижающих дефицит электронной плотности в реакционном центре .

Увеличение устойчивости карбокатионов происходит в ряду:

 

СН3 + <СН 3СН2 + < СН(

3)2 СН+ <СН(

3)3 С +

Образование устойчивого промежуточного карбокатиона представлено на схеме

|

|

 

|

 

|

– Сб+ —>Х б-

<==> —С б+ … Хб-

<==>

С—

+ . . . Х–

<==> ( – С+ ) ( Х–)

|

|

 

|

 

|

 

переходное

ионная

пара ( карбокатион) (анион)

 

состояние

 

 

сольватированные

 

 

 

 

 

ионы

Карбокатион имеет плоское строение,

атом углерода в sp2 гибридном состоянии,

нуклеофильная частица может атаковать карбокатион с любой стороны плоскости.

Если в реакции участвует

определенный стереоизомер, то в случае механизмаS

N 1

возникает рацемизация

- образуются два разных стереоизомера (Dи

L)

в соотношении 1:1, содержащие новую нуклеофильную частицу. Ферментативные реакцииin vivo проходят по механизму S N 1, образуется всегда только тот один стереоизомер,который необходим для осуществления биохимических процессов.

Равновероятная атака нуклеофилом плоского карбокатиона с двух противоположных сторон в химической реакцииin vitro

У–

|

У – С*–

+ | > С —

 

 

 

 

|

 

 

 

 

– С* –У

 

 

 

 

 

У

–

 

|

 

 

 

 

 

 

 

Пример :

 

 

 

D –бутанол-2 + НС1 ———Н> 2О

+

2-хлорбутан (рацемическая смесь)

L- бутанол-2 + НС1 ———> Н2 О

+

2-хлорбутан (рацемическая смесь)

136

рацемическая смесь энантиомеров 2- хлорбутана

CН3

СН3

|

|

С 1 – С – Н

Н – С – С1 2- хлорбутан

|

|

С2Н5

С2Н5

энантиомеры образуют рацемическую смесь в отношении 1:1

К биологическиважным

процессам нуклеофильного замещения относятся

А )образование и гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот,синтез триглицеридовжиров

Б ) образование с участием АТФ фосфорных эфиров глюкозы, рибозы, глицерола и других биоактивных соединений

R–ОН +АТФ —> ОR– –РО3Н2 +АДФ

В) образование гликозидных связей между молекулами углеводов или углеводов с веществами других классов(спиртами,аминами,тиолами).

Г)образование полимеров аминокислот-полипептидов и белков.

Д) образование вторичных , третичных, четвертичных аминов, что особенно важно в синтезе адреналина,холина,кофермента НАД+.

б

-

б +

б -

 

 

 

 

R —NH2 +

CН3 — Х

———>

R —NH—CН3 + H — Х

первичный амин полярная

связь

вторичный амин

 

 

Аминогруппа, содержащая неподеленную пару электронов,

 

несет

отрицательный заряд б -,

и

нуклеофильно

замещает

ион галогенида,

который

является уходящей группой.

 

 

 

 

 

 

 

Модельной реакцией,

объясняющей образование четвертичного атома азота

N-гликозидной

связи в

НАД+,

может

служить

образование

 

катиона

метилпиридиния. В процессе метилированпияридинайодометаном

получается

соль метилпиридиний йодида.

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

N

 

| +

 

 

 

СН3

 

 

 

 

 

137

Нуклеофильное присоединение (АN). Присоединение к двойной связи

карбонильной группы - характерный

для альдегидов и кетонов тип реакций.

В двойной связи карбонильной группы

атомы углерода и кислорода находятся

в

sp2- гибридном состоянии, электронная плотность смещена в сторону более

электроотрицательного

атома кислорода.

Создаются два

центра электрофильный

(δ+) и нуклеофильный (δ-),

которые

отзываются

на активные

частицы

с

противоположными

зарядами(-

и) ( + Донорные.)

заместители

подают

электронную плотность в сторону атома углерода и снижают величину заряда б +. Акцепторные заместители смещают электронную плотность от атома углерода и

увеличивают заряд

б+, усиливая поляризацию связи(

условно изображены разные

величины частичных зарядов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б

+

 

б–

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С>

= О

 

 

 

 

 

 

 

электрофильный

центр

 

 

 

 

нуклеофильный центр

 

атакует

частица ( -) или с

 

 

 

 

атакует частица (+ ),

 

повышенной

электронной

 

 

 

 

электрофил Е+.

 

 

плотностью, нуклеофил

Nu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Акцепторные заместители увеличивают скорости реакций, а донорные

заместители-

уменьшают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б+

 

 

 

 

б+

 

 

 

 

 

 

R —>

СН= О

 

 

R<— СН= О

 

 

 

 

 

 

 

донор

 

 

 

акцептор

 

 

 

Карбонильные соединения реагируют с достаточно большим количеством

 

нуклеофилов: НОН , RОН, НС

N, RSН, Н 2S,

RNН

2, НС1, НВг,

NаНSО3 (натрия

гидросульфит), RNHNH

 

2 (гидразин).

 

 

 

 

 

 

 

 

Механизм

реакции

становится ясным,

 

если

представить

схему

процесса

иобразование

 

двух возможных промежуточных соединений:

 

 

 

А ) Первым атакует электрофил(

Е+).

Образуется карбокатион,

на атоме

углерода

появляется

заряд

(+).Атом

углерода

имеет гибридизациюsp

2

и тригональное строение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б +

б -

 

 

 

( +)

 

 

 

 

 

 

 

> С = О + Е+ Nu –

——> >С —О — Е

 

 

 

Б ) Первым атакует нуклеофил (Nu–). Образуется анион, отрицательный заряд локализован на атоме кислорода, атом углерода тетраэдрический, гибридизация sp3 , образует 4 ковалентные связи.

138

Анион( вариант Б) в реакции присоединения карбонильной группы является более устойчивым,чемкарбокатион(вариант А)

Известно множество примеров существования устойчивых анионов :гидроксид НО –, анионы неорганических и органических кислот RCOO–.

Поэтому реакциис

участием карбонильной группы проходят по механизму

нуклеофильного присоединения

 

б+

б-

|

> С = О + Е+ Nu –

——> −С—О ( - )

 

 

|

Nu

Для большинства реакций требуется кислая среда, которая способствует образованию карбокатиона, которому легко присоединяется нуклеофильная частица.

 

б

+

б-

 

+

Nu

 

 

> С = О + Н+

——> > С – О— Н + ——> > С —О – + Н+

 

 

 

 

 

 

 

|

 

Реакции нуклеофильного присоединения.

 

Nu

 

 

 

 

1.

Присоединение

воды.

Обратимая

гидратация

карбонильной

группы

происходит

при

растворении альдегида в воде, образуются гем-диолы,

которые

существуют только в растворе.

Формальдегид гидратирован

на 100%ацетальдегид,

на 58%,

ацетон –менее1%Эти.

данные

доказывают

снижение реакционной

способности карбонильной группы под влиянием заместителей с (+І) индуктивным

эффектом.

 

Водный раствор формальдегида

(ω=40%), носит название формалин,

используется для изготовле ния анатомических и гистологических препаратов.

R—СН =О +НОН<=>

R— СН – ОН

 

|

 

ОН гидрат альдегида

Трихлорэтаналь( жидкость, Т кип. 970 )присоединяет воду и существует в виде устойчивого кристаллического соединения хлоралгидрата СС13СНО •Н 2О, который использовали как успокаивающее и снотворное средство, и сейчас применяют в ветеринарии. Пример этого соединения подтверждает , что заместители с (–І) индуктивным эффектом увеличивают реакционную способность карбонильной группы и устойчивость продуктов присоединения.

ОН

|

С13С -СНО+НОН —>С 13 С –С – ОН

трихлорэтаналь

| хлоралгидрат

 

ОН

 

139

2. Образование полуацеталей и ацеталей. Альдегиды в кислой среде образуют полуацетали при взаимодействии со спиртами. Полуацеталь сохраняет свойства альдегида и качественные реакции, характерные для альдегидной группы («серебряного зеркала» и др.). При действии избытка спирта полуацеталь реакции нуклеофильного замещения превращается в ацеталь, который не сохраняет свойства альдегидной группы. Гидролиз полуацеталя и ацеталя возможен только в кислой среде и не возможен в щелочной

 

б+

б-

б+

б -

 

 

ROH

 

R— СН=О

 

+Н

—О R <=>

R—СН– ОН ——> R—СН – ОR

 

 

 

 

 

АN

|

SN

|

 

 

 

 

 

 

 

ОR

 

ОR

 

 

 

 

 

 

 

полуацеталь

ацеталь

Полуацетали образуются в качестве промежуточных соединений при обмене

пировиноградной

и

α

–

кетоглутаровой кислот с участием витамина В1 –

тиаминпирофосфата.

 

 

 

 

 

 

 

Циклические

полуацеталиполучаются

в

результате

внутримолекулярной

реакции АN,

которая

возможна

у гидроксиальдегидов,

если гидроксигруппа

находитсяв

положениях

4

или5

углеродной цепи.

 

 

 

 

 

 

б-

 

 

 

 

СН2– СН2– СН2 –СН2– СН=О

 

СН

2 –СН2– СН–ОН

|

 

 

 

 

 

<=>

|

|

 

О -Н

 

 

 

 

 

СН

 

2 – СН 2–О

 

 

 

 

 

 

 

 

циклический полуацеталь

5-гидроксипентаналь шестичленный

 

цикл носит название пирановый

 

 

 

 

 

 

 

пространственное строение« кресло»

Среди

природных

соединенийраспространены

циклическиеполуацетали

моносахаридов.( см.)

 

 

 

 

 

 

 

3. Образование циангидринов присоединение циановодорода НСN к карбонильной группе альдегидов и кетонов. Реакция катализируется основаниями, т.к. НСN – слабая кислота. Циангидрины распространены в природе, в растениях они связывают синильную кислоту. В горьком миндале содержится до 2- 4% циановодорода, много в вишневых и незрелых косточках абрикоса, поэтому они представляют опасность при употреблении в пищу или изготовлении варенья,

компотов с косточками.

 

Бензоциангидрининтезируется

некоторыми насекомыми и используется в

качестве защиты,парализуя дыхательный центр врагов-насекомых

140