Электронное и пространственное строение пептидной группы.

Пептидная связь имеет плоскостную структуру: атомы С, О и N находятся в sp²-гибридизации; у атома N имеется р-орбиталь с неподеленной парой электронов; образуется р,p- сопряженная система, приводящая к укорочению связи С–N (0,132 нм). Наличие плоской сопряженной системы является причиной затруднения вращения вокруг связи C–N (барьер вращения составляет ~63 кДж/моль). Таким образом, электронное строение предопределяет достаточно жесткую плоскую структуру пептидной группы. α-Углеродные атомы аминокислотных остатков располагаются в плоскости пептидной группы по разные стороны от связи С–N, т. е. в более выгодном транс-положении: боковые радикалы R аминокислотных остатков в этом случае будут наиболее удалены друг от друга в пространстве.

Полипептидная цепь имеет однотипное строение и может быть представлена в виде ряда расположенных под углом друг к другу плоскостей пептидных групп, соединенных между собой через α-углеродные атомы связями С_a–N и С_a–Сsp². Вращение вокруг этих одинарных связей весьма ограничено вследствие затруднений в пространственном размещении боковых радикалов аминокислотных остатков. Таким образом, электронное и пространственное строение пептидной группы во многом предопределяет структуру полипептидной цепи в целом.

Первичная структура пептидов и белков — это аминокислотная последовательность, т. е. порядок чередования α-аминокислотных остатков. Для высокомолекулярных полипептидов и белков наряду с первичной структурой характерны более высокие уровни организации, которые принято называть вторичной, третичной и четвертичной структурами.

Пространственная структура белков способна нарушаться под влиянием ряда факторов — повышенной температуры, изменения рН среды, облучения ультрафиолетовым светом или рентгеновскими лучами, механическом воздействии (например, сильном перемешивании растворов), действии химических агентов (мочевины, хлорида гуанидиния, меркаптоэтанола, додецилсульфата натрия, солей). Разрушение природной, нативной макроструктуры белков называется денатурацией.

При денатурации разрушаются, как правило, нековалентные взаимодействия, стабилизирующие структуру белка. Первичная структура при денатурации сохраняется.

У денатурированных белков снижается растворимость, а главное — исчезает биологическая активность. Денатурация может быть обратимой или необратимой. При обратимой денатурации, удалив диализом денатурирующие агенты, можно вновь получить активный (ренатурированный) белок.

 

 

56. Оксокислоты: номенклатура, классификация; химические свойства как гетерофункциональных соединений; специфические реакции. Представители: глиоксиловая, пировиноградная, ацетоуксусная, щавелевоуксусная, a -оксоглутаровая.

Оксокарбоновыми кислотами (оксокислотами) называются, соединения, молекулы которых содержат наряду с карбоксильной группой оксогруппу, т. е, это альдегидо- или кетонокислоты. Оксокислоты могут содержать одну, две или более карбоксильных групп. По взаимному расположению функциональных групп различают α-, β-, γ-оксокарбоновые кислоты; существуют также оксокислоты и с иным расположе­нием функциональных групп.

Многие оксокислоты являются важными метаболитами, участвующими в об­мене веществ. Биологическая роль α-оксокислот заключается также в том, что они являются интермедиатами в биосинтезе α-аминокислот в живых организмах.

В названиях альдегидо- и кетонокислот наличие карбонильной группы обозначают префиксом оксо-. Для некоторых оксокислот укоренились триви­альные названия (пировиноградная, левулиновая); для оксокислот, участвую­щих в биохимических циклах в живых организмах, используются традиционно сложившиеся в биохимической литературе названия — ацетоуксусная, щаве­левоуксусная, кетоглутаровая и др.:

Химические свойства.

Оксокислоты проявляют многие свойства, характерные как для карбоно­вых кислот, так и для альдегидов и кетонов. Оксокислоты образуют производ­ные по карбоксильной группе — соли, сложные эфиры, амиды и т.д., по оксогруппе — оксимы, гидразоны, гидроксинитрилы и т. д.

Химические свойства оксокислот существенно зависят от взаимного рас­положения функциональных групп. Обе группы оказывают друг на друга оп­ределенное влияние. В частности, при близком их расположении наблюдается взаимное усиление электрофильных свойств атомов углерода карбонильной и карбоксильной групп и, как следствие, усиление их реакционной способности при взаимодействии с нуклеофилами.

Кислотные свойства оксокарбоновых кислот снижаются по мере удаления оксогруппы от карбоксильной группы.В этом случае наблюдается четкая закономерность (как, например, и для галогенозамещенных кислот): по мере удаления электроноакцепторной оксо­группы от карбоксильной группы кислотные свойства оксокислоты снижаются вследствие затухания отрицательного индуктивного эффекта.

α-Оксокислоты.

α-Оксокислоты, у которых карбонильная группа находится в непосредст­венном соседстве с электроноакцепторной карбоксильной группой, легко всту­пают в реакции нуклеофильного присоединения. Например, некоторые α-оксокислоты легко присоединяют воду и образуют устойчивые гидратные формы:

Под действием разбавленных минеральных кислот α-оксокислоты подвер­гаются декарбоксилированию; нагревание с концентрированной серной кис­лотой приводит к декарбонилированию, т. е. отщеплению оксида углерода(II):

Эфиры α-оксокислот присоединяют магнийорганические соединения селективно по кетонной группе; здесь проявляется большая активность в реакциях с нуклеофилами кетонной группы, чем сложноэфирной:

Некоторые а-оксокислоты из-за наличия в молекуле СН-кислотного центра вступают в реакции конденсации типа альдольной. Например, пировиноградная кислота превращается при длительном стоянии в соответствующий альдоль, который затем отщепляет воду, образуя лактон:

β-Оксокислоты

β-Оксокислоты среди оксокислот имеют наибольшее практическое зна­чение. Специфика их химических свойств обусловлена наличием сильного СН-кислотного центра, возникновение которого связано с β-расположением функциональных групп. Именно в ряду βр-оксокислот наиболее ярко проявля­ется один из видов динамической изомерии — кето-енольная таутомерия.

Декарбоксилирование. β-Оксокислоты легко подвергаются декарбоксилированию, что обусловлено образованием шестизвенного переходного состоя­ния с низкой энергией. Ацетоуксусная кислота при нагревании декарбоксилируется с образованием ацетона:

γ- и δ-Оксокислоты.

Специфическим свойством γ- и δ-оксокислот является их способность к другому виду таутомерии — кольчато-цепной таутомерии. Возникновение это­го вида таутомерии обусловлено тем, что гидроксильная группа как нуклеофил обратимо присоединяется к кетонной группе:

Открытая (ациклическая) форма γ- и δ- оксокислот находится в равновесии с соответствующим гидроксилактоном — соединением, которое, с одной сторо­ны, можно рассматривать как циклический полуацеталь, а с другой — как слож­ный эфир. Кольчато-цепная таутомерия более известна для моносахаридов.

Гидроксилактоны при нагревании или в присутствии водоотнимающих средств отщепляют воду и превращаются в ненасыщенные лактоны. При этом образуются два изомера, отличающихся положением двойной связи:

Преимущественное образование изомерного β-ангеликолактона объясня­ется наличием π,π-сопряженной системы.

Ароматические γ-оксокислоты, вступают во внутримолекулярную реак­цию ацилирования по Фриделю—Крафтсу с образованием нового шестичлен­ного цикла. Эта реакция представляет собой важный в синтетическом отно­шении способ получения соединений с конденсированными бензольными кольцами. Например, так получают в промышленности антрахинон:

Представители.

Глиоксиловая кислота ( глиоксалевая кислота ) — СНО-СООН — единственная возможная α-альдегидокислота. Глиоксиловая кислота часто содержится в недозрелых фруктах. Она образует серебряное зеркало с аммиачным серебром, образует оксим и др.. При восстановлении она дает гликолевую кислоту, при окислении — щавелевую кислоту.

Пировиноградная кислота — СН_3-СО-СООН — органическая кетокислота. Пируваты — важные химические соединения в биохимии. Они являются конечным продуктом метаболизма глюкозы в процессе гликолиза. Пировиноградная кислота является «точкой пересечения» многих метаболических путей. Пируват может быть превращён обратно в глюкозу в процессе глюконеогенеза, или в жирные кислоты или энергию через ацетил-КоА, в аминокислоту аланин, или в этанол. Таким образом пируват объединяет несколько ключевых метаболических процессов клетки и является универсальной «метаболической валютой» живой клетки.

Ацетоуксусная кислота ( 3-оксобутановая кислота) — CH₃-C(O)-CH₂-COOH — одноосновная, первый представитель β-кетокислот, участвует в обмене веществ. Является неустойчивым соединением. Большое количество ацетоуксусной кислоты используют для получения ацетоуксусного эфира (этилацетоацетата). Является метаболитом окисления жирных кислот, характерное увеличение ацетоуксусной кислоты в плазме крови наблюдается при весьма серьёзных патологических процессах, так она накапливается в организме у больных сахарным диабетом (относится к кетоновым телам).

Щавелевоуксусная кислота ( оксалоацетат ) — HООC-C(O)-CH₂-CООH — это четырехуглеродная двухосновная кетокислота. Существует в виде таутомера HООC-C(OH)=CH-CООH. Оксалоацетат является промежуточным соединением в цикле Кребса и глюконеогенезе. Из щавелевоуксусной кислоты и ацетил кофермента А по типу альдольной конденсации происходит биосинтез лимонной кислоты.

α-Кетоглутаровая кислота ( a - оксоглутаровая ) — НООС-(СН₂)₂-СО-СООН— одно из двух кетоновых производных глутаровой кислоты. Анион α-кетоглутаровой кислоты, α-кетоглутарат (оксоглутарат) — важное биологическое соединение.

 

 

57. Кето-енольная таутомерия β – дикарбонильных соединений (ацетилацетон, ацетоуксусный эфир, щавелевоуксусная кислота). Реакции кетонной и енольной форм ацетоуксусного эфира.

Кето-енольная таутомерия. Таутомерия присуща различным классам веществ, чаще гетерофункциональным соединениям. Таутомерия — способность химических соединений существовать в виде двух иди нескольких, находящихся в равновесии, структурных изомеров.

В большинстве случаев таутомерные превращения сопровождаются перено­сом протона от одного атома к другому, поэтому такие виды таутомерии объеди­няются общим понятием прототропной таутомерии. Одной из разновидностей прототропной таутомерии является кето-енольная таутомерия, сущность кото­рой состоит в переносе протона от α-СН-кислотного центра карбонильного соединения к атому кислорода карбонильной группы как основному центру:

Кето-енольная таутомерия свойственна β-оксокислотам и их сложным эфирам, а также 1,3-дикетонам и соединениям других классов, содержащим карбонильную группу. Енольная форма термодинамически менее выгодна, чем кетонная. Показано, что енолизация является эндотермическим процес­сом. Однако в 1,3-дикарбонильных соединениях енольная форма стабилизи­рована за счет образования внутримолекулярных водородных связей, а также за счет сопряжения.

Ниже приведены таутомерные формы одного из важней­ших 1,3-дикарбонильных соединений — ацетоуксусного эфира:

Положение равновесия таутомеров зависит от строения карбонильного соединения. Алифатические альдегиды и кетоны, у которых в углеводородных радикалах отсутствуют электроноакцепторные заместители, существуют прак­тически только в оксоформе (кетонной). Заметные количества енольной фор­мы в равновесной смеси появляются тогда, когда СН-кислотность карбониль­ного соединения усиливается за счет дополнительной электроноакцепторной группы, например, у ацетона содержание енольной формы низкое, а у ацетилацетона она преобладает в равновесной смеси.

При наличии в β-положении объемных заместителей устойчивость енольной формы понижается, так как объемные группы препятствуют образованию внутримолекулярной водород­ной связи. Так, содержание енольной формы снижается в ряду: ацетоуксусный эфир — метил ацетоуксусный эфир — этил ацетоуксусный эфир.

Влияние на состояние кето-енольного равновесия оказывает и раствори­тель: полярные растворители стабилизируют кетонную форму, неполярные — енольную. Считают, что енольная форма за счет внутримолекулярной водородной связи менее полярна и хуже сольватируется полярными растворителями.

Таутомерные превращения дикарбонильных соединений протекают с до­вольно низкой скоростью, что позволило выделить таутомеры некоторых ве­ществ в индивидуальном виде. При низких температурах кетонная форма ус­тойчива и не подвергается енолизации в течение довольно долгого времени. При пропускании су­хого хлороводорода через суспензию натриевого енолята ацетоуксусного эфи­ра в диметиловом эфире была выделена чистая енольная форма:

Существование двух таутомерных форм проявляется в химических свойст­вах β-оксоэфиров. Ацетоуксусный эфир может вступать в реакции как в ке­тонной, так и в енольной форме. Как кетон он способен присоединять циановодородную кислоту и гидросульфит натрия, а в реакции с этиленгликолем образовывать циклический ацеталь:

В реакциях с такими нуклеофилами, как гидразин и его производные или гидроксиламин, ацетоуксусный эфир образует пятичленные гетероцикличе­ские соединения.

В енольной форме ацетоуксусный эфир при взаимодействии с хлоридом фосфора(V) превращается в эфир галогенозамещенной α,β-ненасыщенной кислоты:

Качественной пробой для обнаружения енольной формы ацетоуксусного эфира служит реакция с хлоридом железа(Ш), приводящая к появлению виш­невого окрашивания реакционной смеси (качественная реакция).

Для количественного определения содержания енольной формы в равно­весной смеси применяют титрование бромом (качественная реакция). Бромирование двойной связи протекает значительно быстрее, чем енолизация карбонильного соединения, поэтому при быстром проведении титрования удается довольно точно устано­вить содержание енольной формы:

Продукт бромирования отщепляет бромоводород, превращаясь в произ­водное кетонной формы. Таким образом, с помощью усовершенствованных методик титрования можно определить содержание енольной формы практи­чески во всем диапазоне концентраций.