Пара-аминобензойная кислота

Эфиры пара-аминобензойной кислоты – анестезин и новокаин, способны вызвать местную анестезию.

Салициловая кислота относится к группе фенолокислот. Как соединение с орто-расположением функциональных групп, она легко декарбоксилируется при нагревании с образованием фенола. Салициловая кислота растворима в воде, дает интенсивное окрашивание с хлоридом железа(III), на чем основано качественное обнаружение фенольной гидроксильной группы.

Салициловая кислота проявляет антиревматическое, жаропонижающее и антигрибковое действие, но как сильная кислота (рКа 2,98) вызывает раздражение пищеварительного тракта и поэтому применяется только наружно. Внутрь применяют ее производные — соли или эфиры. Салициловая кислота способна образовывать производные по каждой функциональной группе. Практическое значение имеют салицилат натрия, сложные эфиры по карбоксильной группе — метилсалицилат, фенилсалицилат (салол), а также по гидроксильной группе — ацетилсалициловая кислота (аспирин). Из других производных салициловой кислоты большое значение имеет п-аминосалициловая кислота (ПАСК) как противотуберкулезное средство. ПАСК является антагонистом п-аминобензойной кислоты, необходимой для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Другие изомеры таким действием не обладают. м-Аминосалициловая кислота является высокотоксичным веществом.

Аминокислоты

 

Аминокислоты — это органические бифункциональные соединения, в состав которых входят карбоксильная группа —СООН и аминогруппа —NH₂. В зависимости от взаимного расположения обеих функциональных групп различают ά-,β -, γ -аминокислоты и т. д.:

Греческая буква при атоме углерода обозначает его удаленность от карбоксильной группы. Обычно рассматривают только ά-аминокислоты, поскольку другие аминокислоты в природе не встречаются.

В процессе биосинтеза белка в полипептидную цепь включаются 20 важнейших α-аминокислот, кодируемых генетическим кодом.

Общая формула α-аминокислот

Аминокислоты можно классифицировать по нескольким признакам:

1). По способности человека синтезировать аминокислоты из предшественников:

Незаменимые: Триптофан, Фенилаланин, Лизин, Треонин, Метионин, Лейцин, Изолейцин, Валин;

Заменимые: Тирозин, Цистеин, Гистидин, Аргинин, Глицин, Аланин, Серин, Глутамин, Глутаминовая кислота, Аспарагиновая кислота, Аспарагин, Пролин

Некоторые заменимые аминокислоты синтезируются в организме человека в недостаточных количествах и должны поступать с пищей (гистидин и аргинин).

2). Аминокислоты делятся на протеиногенные (20 α-аминокислот) и непротеиногенные (4 аминокислоты).

3).По функциональным группам:

Алифатические моноаминомонокарбоновые: аланин, валин, глицин, изолейцин, лейцин.

Оксимоноаминокарбоновые: серин, треонин.

Моноаминодикарбоновые: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота. Амиды моноаминодикарбоновых: аспарагин, глутамин.

Диаминомонокарбоновые: аргинин, гистидин, лизин.

Серосодержащие: цистеин (цистин), метионин.

Ароматические: фенилаланин, тирозин.

Гетероциклические: триптофан, гистидин.

Иминокислоты: пролин (также входит в группу гетероциклических).

 

4).По химической природе радикаловприведены в таблице 4.

Таблица 4. Важнейшие протеиногенные аминокислоты.

Тривиальное название	Сокращенное название	Формула
1. Аминокислоты, имеющие неполярный радикал
Аланин	АЛА
Валин	ВАЛ
Лейцин	ЛЕЙ
Изолейцин	ИЛЕ
Триптофан	ТРИ
Пролин	ПРО
Фенилаланин	ФЕН
Метионин	МЕТ
2. Аминокислоты, имеющие полярный незаряженный радикал.
Глицин	ГЛИ
Серин	СЕР
Треонин	ТРЕ
Тирозин	ТИР
Аспарагин	АСН
Глутамин	ГЛН
Цистеин	ЦИС
3. Аминокислоты, имеющие отрицательно заряженный радикал.
Аспарагиновая кислота	АСП
Глутаминовая кислота	ГЛУ
3. Аминокислоты, имеющие положительно заряженный радикал.
Лизин	Лиз
Аргинин	Арг
Гистидин	Гис

Важнейшие непротеиногенные аминокислоты.

β - Аланин

Орнитин

Цитруллин

γ – Аминомасляная кислота

Все α-аминокислоты, кроме глицина H₂N-CH₂-COOH, содержат асимметрический атом углерода (α-атом) и могут существовать в виде оптических изомеров. Оптическая изомерия природных α-аминокислот играет важную роль в процессах биосинтеза белка. Типичные белки природного происхождения, состоят из L-аминокислот. D-аминокислоты и L-аминокислоты отличаются друг от друга по вкусу. Например, D-аспарагиновая кислота не имеет вкуса, а ее стереоизомер L-аспарагиновая кислота обладает мясным вкусом.

 

Химические свойства

 

1. Аминокислоты — это органические амфотерные соединения. Они содержат в составе молекулы две функциональные группы противоположного характера: аминогруппу с основными свойствами и карбоксильную группу с кислотными свойствами. Аминокислоты реагируют как с кислотами, так и с основаниями:

При растворении аминокислот в воде карбоксильная группа отщепляет ион водорода, который может присоединиться к аминогруппе. При этом образуется внутренняя соль, молекула которой представляет собой биполярный ион, который называется цвиттер-ионом:

Кислотно-основные превращения аминокислот в различных средах можно изобразить следующей схемой:

 

Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, щелочную или кислую среду в зависимости от количества функциональных групп. Так, глутаминовая кислота образует кислый раствор (две группы —СООН, одна —NH₂), лизин — щелочной (одна группа —СООН, две —NH₂).

2. Трансаминирование - одна из реакций метаболизма аминокислот, которая заключается в переносе аминогруппы (NH₂) из аминокислоты в кетокислоты; в результате образуется другая кетокислота и аминокислота.

3. Дезаминирование - этоотщепление аминогруппы (—NH₂) из молекулы органического соединения.

Дезаминирование играет важную роль в процессах обмена веществ, в частности в катаболизме аминокислот. Доказано существование 4 типов дезаминирования аминокислот (отщепление аминогруппы). Выделены соответствующие ферментные системы, катализирующие эти реакции, и идентифицированы продукты реакции. Во всех случаях NH₂-группа аминокислоты освобождается в виде аммиака.

4. Декарбоксилирование– это процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СО₂ получил название декарбоксилирования. Несмотря на ограниченный круг аминокислот и их производных, подвергающихся декарбоксилированию в животных тканях, образующиеся продукты реакции – биогенные амины – оказывают сильное фармакологическое действие на множество физиологических функций человека и животных. Например, в животных тканях с высокой скоростью протекает декарбоксилирование гистидина под действием специфической декарбоксилазы.

Гистамин оказывает широкий спектр биологического действия. По механизму действия на кровеносные сосуды он резко отличается от других биогенных аминов, так как обладает сосудорасширяющим свойством. Большое количество гистамина образуется в области воспаления, что имеет определенный биологический смысл. Вызывая расширение сосудов в очаге воспаления, гистамин тем самым ускоряет приток лейкоцитов, способствуя активации защитных сил организма. Кроме того, гистамин участвует в секреции соляной кислоты в желудке, что широко используется в клинике при изучении секреторной деятельности желудка (гистаминовая проба). Он имеет прямое отношение к явлениям сенсибилизации и десенсибилизации. При повышенной чувствительности к гистамину в клинике используют антигистаминные препараты (санорин, димедрол и др.), оказывающие влияние на рецепторы сосудов. Гистамину приписывают также роль медиатора боли.

5. Превращения аминокислот при нагревании. α-Аминокислоты, а еще легче их эфиры, при нагревании образуют циклические пептиды — дикетопиперазины:

β-Аминокислоты при нагревании образуют α,β-ненасыщенные кислоты с отщеплением аминогруппы и водорода от соседних атомов углерода:

γ-, δ- и ε-Аминокислоты, как и соответствующие оксикислоты, легко отщепляют воду и циклизуются, образуя внутренние амиды — лактамы:

6. Качественные реакции на аминокислоты.Качественные (цветные) реакции аминокислот сохранили свое важное значение до настоящего времени. Общая качественная реакция α-аминокислот – это реакция с нингидрином. Все аминокислоты окисляются нингидрином с образованием продуктов, окрашенных в сине-фиолетовый цвет. Эта реакция может быть использована для количественного определения аминокислот спектрофотометрическим методом.

Для обнаружения пептидных связей в пептидах и белках служит биуретовая реакция. Для обнаружения ароматических и гетероциклических альфа-аминокислот используют ксантопротеиновую реакцию. (от греч. ксантос — желтый). При нагревании ароматических аминокислот с концентрированной азотной кислотой происходит нитрование бензольного кольца и образуются соединения, окрашенные в желтый цвет.

 

Пептиды. Белки

Пептиды — это высокомолекулярные соединения, содержащие от 2 до 100 аминокислотных остатков. Две молекулы аминокислоты могут реагировать друг с другом с отщеплением молекулы воды и образованием продукта, в котором фрагменты связаны пептидной связью —СО—NH —.

 

Полученное соединение называют дипептидом. Представителем самых «маленьких» пептидов являются содержащиеся в мышцах животных и человека карнозин и ансерин. Молекула дипептида, подобно аминокислотам, содержит аминогруппу и карбоксильную группу и может реагировать еще с одной молекулой аминокислоты:

Продукт реакции называется трипептидом. Один из наиболее распространенных трипептидов – глутатион – содержится во всех животных, растениях и бактериях. Глутатион участвует в ряде окислительно- восстановительных процессов. Он выполняет функцию протектора белков и защищает свободные тиольные группы от нежелательного окисления .

Процесс наращивания пептидной цепи может продолжаться в принципе неограниченно (поликонденсация) и приводить к веществам с очень высокой молекулярной массой (белкам). Некоторые пептиды способны проявлять антибактериальное действие и используются как лекарственные средства. Например, грамицидин – S – циклический декапептид, оказывающий антибактериальное действие на стрептококки, пневмококки и другие микроорганизмы.

Большое значение имеет группа пептидов, проявляющих гормональное действие. Гормоны задней доли гипофиза – окситоцин и вазопрессин являются нанопептидами и имеют близкую первичную структуру. Различие в структуре приводит к формированию специфического биологического действия каждого из этих гормонов. Так, окситоцин образуется только у женщин и вызывает сокращение гладкой мускулатуры матки и применяется в гинекологии и акушерстве для стимуляции родовой деятельности. Вазопрессин регулирует минеральный обмен и встречается и в мужском и женском организме.

Инсулин – гормон, ответственный за контроль метаболизма углеводов, жиров и белков. Его вырабатывает поджелудочная железа. С недостатком инсулина связано заболевание – сахарный диабет.

Белки— это природные полипептиды с высокими значениями молекулярной массы (от 10 000 до десятков миллионов), состоящие более 100 аминокислотных остатков. Они входят в состав всех живых организмов и выполняют разнообразные биологические функции.

Можно выделить четыре уровня в строении полипептидной цепи. Первичная структура белка — это конкретная последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Пептидная цепь имеет линейную структуру только у небольшого числа белков. В большинстве белков пептидная цепь определенным образом свернута в пространстве.

Вторичная структура — это конформация полипептидной цепи, т. е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами NH и СО. Основной способ укладки цепи — спираль.

Третичная структура белка — это трехмерная конфигурация закрученной спирали в пространстве. Третичная структура образуется за счет дисульфидных мостиков —S—S— между цистеиновыми остатками, находящимися в разных местах полипептидной цепи. В образовании третичной структуры участвуют также ионные взаимодействия противоположно заряженных групп NH₃⁺ и СОО^- и гидрофобные взаимодействия, т. е. стремление молекулы белка свернуться так, чтобы гидрофобные углеводородные остатки оказались внутри структуры.

Третичная структура — высшая форма пространственной организации белков. Однако некоторые белки (например, гемоглобин) имеют четвертичную структуру, которая образуется за счет взаимодействия нескольких полипептидных цепей.

 

Углеводы

 

Углеводы – это природные соединения, имеющие в подавляющем большинстве состав C_х(H₂O)_у. Их подразделяют на низкомолекулярные углеводы и продукты их поликонденсации. По способности к гидролизу углеводы делятся на простые — моносахариды и сложные — полисахариды. Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Способные к гидролизу полисахариды можно рассматривать как продукты поликонденсации моносахаридов. Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, макромолекулы которых содержат сотни и тысячи моносахаридных остатков. Среди них выделяют группу олигосахаридов, имеющих относительно небольшую молекулярную массу и содержащих от 2 до 10 моносахаридных остатков.

Моносахариды

 

Моносахариды – это полигидроксикарбонильные соединения, в которых каждый атом углерода (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Общая формула моносахаридов – Сn(H₂O)n, где n =3-9.

Моносахариды — твердые вещества, легко растворимые в воде, плохо — в спирте и совсем нерастворимые в эфире. Большинство моносахаридов обладает сладким вкусом. В свободном виде в природе встречается преимущественно глюкоза. Она же является структурной единицей многих полисахаридов. другие моносахариды в свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов.

По химическому строению различают:

альдозы – моносахариды, содержащие альдегидную группу;

кетозы – моносахариды, содержащие кетонную группу (как правило, у второго атома углерода).

В зависимости от длины углеродной цепи моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Обычно моносахариды классифицируют с учетом сразу двух этих признаков.

Подавляющее большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду. Родоначальником ряда D-альдоз является D-глицериновый альдегид. Остальные D-альдозы могут быть построены на основе D-глицеральдегида путем последовательной вставки фрагмента СНОН сразу после карбонильной группы. Стереоизомерные альдозы имеют тривиальные названия (схема 3).

 

Схема 3. Классификация альдоз.

 

Ниже приведена классификация кетоз (схема 4).

Схема 4. Классификация кетоз.

В природе широко распространены гексозы (D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза, D-фруктоза) и пентозы (D-рибоза, D-ксилоза, D-арабиноза). Среди производных моносахаридов наиболее распространенными являются аминосахара D-глюкозамин и D-галактозамин и дезоксисахар 2-дезокси-D-рибоза.

 

Цикло-оксо-таутомерия

Карбонильная и гидроксильная группы моносахаридов взаимодействуют внутримолекулярно с образованием циклического полуацеталя:

 

При этом возникает новый хиральный центр за счет образования свободного полуацетального гидроксила – бывший карбонильный, а теперь аномерный атом углерода. Наиболее устойчивы циклические полуацетали, содержащие шестичленный (пиранозный) или пятичленный (фуранозный) циклы. Они образуются при взаимодействии альдегидной группы с гидроксильной группой в положении 5 или 4 моносахарида соответственно. На рисунке представлена схема образования циклических форм D-глюкозы:

 

 

Возникновение нового хирального центра приводит к появлению 2-х стереоизомеров для каждой из циклической форм - ά- и β-аномеров.

Аномеры – это изомеры, которые различаются по конфигурации аномерного атома углерода.

У ά-аномера свободный полуацетальный гидроксил находится под кольцом фуранозного или пиранозного цикла, у β-аномера - свободный полуацетальный гидроксил находится над кольцом фуранозного или пиранозного цикла.

Циклические формы моносахаридов изображают с помощью формул Хеуорса. Молекулу представляют в виде плоского цикла, перпендикулярного плоскости рисунка. Заместители, находившиеся в формуле Фишера слева, располагают над плоскостью цикла, справа – под плоскостью. Для определения положения группы СН₂ОН в формуле Фишера предварительно делают две перестановки.

В кристаллическом состоянии моносахариды находятся в одной из циклических форм. При растворении образуется равновесная смесь линейной и циклических форм. Их относительное содержание определяется термодинамической стабильностью. Циклические, особенно пиранозные формы, энергетически более выгодны для большинства моносахаридов. Например, в растворе D-глюкозы преобладает β-D-глюкопираноза:

Существование равновесия между линейной и циклическими формами моносахаридов получило название цикло-оксо-таутомерии.

Химические свойства моносахаридов определяются наличием карбонильной группы (в незамкнутой форме), полуацетального гидроксила (в циклических формах) и спиртовых ОН групп.

1. Восстановление.При восстановлении карбонильной группы альдоз образуются многоатомные спирты – глициты. Эти кристаллические легко растворимые в воде вещества обладают сладким вкусом и часто используются как заменители сахара при сахарном диабете (ксилит, сорбит).

Шестиатомные спирты — глюцит (сорбит), дульцит и маннит — получаются при восстановлении соответственно глюкозы, галактозы и маннозы. Восстановление глюкозы в сорбит является одной из стадий промышленного синтеза аскорбиновой кислоты.

2 Окисление.Реакции окисления используют в структурных исследованиях и биохимических анализах для обнаружения моносахаридов, в частности глюкозы, в биологических жидкостях (моча, кровь). В зависимости от условий окисления образуются различные продукты.

При мягком окислении альдоз, например, под действием бромной воды, затрагивается только карбонильная группа и образуются гликоновые кислоты., например из D-глюкозы образуется D-глюконовая кислота, из D-галактозы образуется D-галактоновая кислота.

При действии сильных окислителей (разбавленной азотной кислоты) окисляется оба конца углеродного скелета альдоз и образуются гликаровые кислоты, например, D-глюкозы образуется D-глюкаровая кислота.

В результате специфического окисления, при котором окислена концевая спиртовая группа с образованием карбоксильной группы, а альдегидная группа остается неокисленной. Гликуроновые кислоты входят в состав полисахаридов (пектиновые вещества, гепарин). Биологическая роль D-глюкуроновой кислоты, образующейся из D-глюкозы, состоит в том, что многие токсичные вещества выводятся из организма с мочой в виде растворимых глюкуронидов.

4. Реакция фосфорилирования моносахаридов.Моносахариды, этерифицированные фосфорной кислотой, играют исключительно большую роль в обмене веществ. Первым обнаруженным в природе фосфорнокислым эфиром углевода был фруктозо-1,6-бисфосфат, который выявили при брожении Л.А. Иванов, а также А. Гарден и В. Юнг в 1905 г. Ниже приводятся формулы некоторых фосфатов сахаров, играющих важную роль в обмене веществ: