Методичка по органической химии Часть 2

88

R O

CH C

HN NH

C CH

O R

Дикетопиперазин

2. -Аминокислоты образуют непредельные кислоты:

NH

лактам

CH2 CH2

NH

лактим

III. Биологически важные реакции - аминокислот

1. Способность к образованию внутренних солей (биполярных, или «цвиттер» –

ионов). Карбоксильная группа проявляет кислотные свойства, диссоциирует с отщеплением протона. Амино-группа, которая проявляет основные свойства, способна протонироваться по неподеленной электронной паре атома азота. В результате в водных растворах и в кристаллическом состоянии аминокислоты существуют в виде внутренних солей:

90

2. Реакция декарбоксилирования:

В результате реакции декарбоксилирования - аминокислот образуются биогенные амины, обладающие сильной физиологической активностью, многие из них являются аллергенами, большинство обладает сосудосуживающими свойствами (исключение – гистамин), участвуют в регуляции жизненно важных функций организма.

3. Реакции дезаминирования:

а) дезаминирование по Ван-Слайку in vitro:

По объему выделяющегося газообразного азота судят о количестве аминокислоты в растворе.

б) неокислительное дезаминирование in vivo протекает у низших организмов (бактерий, грибов):

-NH3

HOOC CH-CH2COOH HOOC –CH=CH-COOHфумаровая кислота

NH2

аспарагиновая кислота

в) окислительное дезаминирование in vivo:

91

Реакция протекает под действием фермента глутаматдегидрогеназы и кофермента НАД+.

4. Реакция трансаминирования (переаминирования) in vivo:

фермент трансфераза

5. Способность к образованию полипептидов. Карбоксильная группа одной аминокислоты может реагировать с аминогруппой другой аминокислоты с образованием

Дипептид Последовательность аминокислот, соединенных между собой пептидными связями,

является первичной структурой белков.

Процесс, обратный образованию пептида, называется гидролизом. Существуют три вида гидролиза белка: кислотный, щелочной и ферментативный. Результатом является образование смеси аминокислот, которые могут быть разделены и идентифицированы методами хроматографии или электрофореза.

Таким образом определяют аминокислотный состав белка.

Рассмотрим пример: Составить трипептид Глу-Асн-Про и дать ему полную характеристику.

92

В названии пептида окончания аминокислот меняются на «ил», кроме последней аминокислоты.

Характеристика пептида. 1. Реакция пептида на индикатор – кислотная, так как в пептиде две кислотные группы – СOOH и одна основная –NH2

(группа – С=О не проявляет основных свойств – см. классификацию)

NH2

2. Суммарный заряд пептида в водной среде:

3. Изменение суммарного заряда с изменением рН среды. Запишем пептид в упрощенном виде, выделив лишь заряженные группы и обозначив остальную часть

-2

NH2

R COOCOO-

4.Изоэлектрическая точка пептида (определение см. выше) лежит в слабокислой среде.

5.Поверхностные свойства пептида зависят от соотношения гидрофильных и гидрофобных боковых радикалов и концевых групп.

Гидрофильных групп больше, поэтому поверхность пептида гидрофильна, он растворим в воде.

Пептиды являются продуктом частичного гидролиза белков. Но многие пептиды присутствуют в свободном состоянии в клетках и тканях и выполняют специфические биологические функции. К ним относятся гормоны, антибиотики и другие соединения, обладающие высокой биологической активностью.

93

Самостоятельное значение пептидов в процессах жизнедеятельности человеческого организма велико. В нервной ткани выделены нейропептиды, влияющие на функции нервной системы: энкефалины, эндорфины – «опиоидные» пептиды, аналогично морфину подавляющие боль; пептиды, действующие на сон; пептиды памяти и др.

Известны гормоны пептидной природы: окситоцин, вазопрессин (гормоны задней доли гипофиза), меланоцитстимулирующий гормон (выделяется средней долей гипофиза), адренокортикотропный гормон (АКТГ) (передней доли гипофиза), глюкагон (поджелудочной железы), гормоны желудочно-кишечного тракта и др.

К пептидам относятся токсины, выделенные из бледной поганки, токсины яда пчел, змей, скорпионов, морских позвоночных.

В медицине используются пептиды-антибиотики: грамицидин S, актиномицин и др.; пептиды-регуляторы иммунитета: тафцин; пептиды – заменители сахара: аспартам и т.д.

Строение пептидной связи

O

..

C N

H

Атом углерода пептидной связи находится в sp2 –гибридизации. Неподеленная электронная пара атома азота вступает в сопряжение с - связью C O . Таким

образом, пептидная связь представляет собой трехцентровую ,- сопряженную систему.

O

CN H

Врезультате связь C-N приобретает характер двоесвязанности, становится «полуторной». Вращение вокруг этой связи затруднено. В большинстве природных белков

ипептидов имеет место транс-конфигурация пептидной связи, что важно для стабилизации вторичной структуры.

Для пептидной связи характерно явление лактам-лактимной таутомерии:

За счет лактимной формы пептиды дают качественную цветную реакцию с ионами Сu2+ аналогично биурету – веществу, получаемому из 2 молекул мочевины:

IV. Аналитические, качественные реакции аминокислот и пептидов.

Многие качественные реакции в настоящее время для обнаружения-аминокислот и пептидов.

1. Способность к образованию комплексных солей с ионами тяжелых металлов:

Cu

O

··

C-CH-NH2

O

R

Комплексная соль Cu2+ хорошо растворима в воде и окрашена в ярко-синий цвет, что может быть использовано как качественная реакция на - аминокислоты.

2. Образование оснований Шиффа:

+ CH2=N-CH2-COOH

метилениминокислота

Реакция лежит в основе метода формольного титрования по Зеренсену. Сами аминокислоты вследствие амфотерности не могут быть оттитрованы щелочью.

95

Иминокислота содержит свободную карбоксильную группу и может быть определена количественно титрованием щелочью.

3. Взаимодействие с 2,4-динитрофторбензолом – ДНФБ (реактивом Сенджера):

ДНБ-производное аминокислоты может быть выделено и идентифицировано хроматографически. Метод служит для определения аминокислотной последовательности белка.

4. Нингидриновая реакция обусловлена наличием - аминогруппы, качественная

реакция на - аминокислоты, пептиды и белки:

O

продукт сине-фиолетового цвета

Глоссарий

Амфотерность – способность соединения проявлять и кислотные, и основные свойства. Первичная структура пептидов и белков – это аминокислотная последовательность, т.е. порядок чередования -аминокислотных остатков в молекуле.

Вторичная структура пептидов и белков – это пространственная ориентация основной полипептидной цепи. Основные виды - - спираль и –структура.

Изоэлектрическое состояние молекулы – состояние молекулы аминокислоты, пептида или белка, при котором суммарный заряд на молекуле равен нулю.

Изоэлектрическая точка – значение рН водного раствора аминокислоты, пептида или белка, при котором молекула достигает изоэлектрического состояния.

Пептидная связь (группа) – это группа атомов -СО–NН - , регулярно повторяющаяся в полимерной цепи молекулы.

96

Тема 8. УГЛЕВОДЫ

Цель занятия: закрепить и расширить знания принципов стереоизомерии, таутомерного равновесия и химических свойств, важнейших моно-, ди- и полисахаридов, участвующих в процессах жизнедеятельности, а также приобрести практические навыки идентификации углеводов.

Конкретные задачи

1. Студент должен знать:

– пространственное строение моно-, ди- и полисахаридов;

– виды изомерии и таутомерию углеводов, а также их химические свойства и биологическое значение.

2. Студент должен уметь:

–писать формулы важнейших моно-, ди- и полисахаридов в открытой и циклической формах;

–изображать конформации пиранозного цикла моносахаридов и фрагментов полисахаридов;

–определять по формуле Фишера принадлежность углевода к стереохимическому ряду (D - или L -);

–описывать уравнениями химические свойства моносахаридов;

–доказывать восстанавливающую способность углеводов дисахаридов;

–проводить качественные реакции для обнаружения и доказательства строения глюкозы, фруктозы, мальтозы, сахарозы, крахмала.

Мотивация. Углеводы – один из важнейших классов органических природных соединений, играющий большую роль в процессах, обеспечивающих нормальную деятельность живых организмов. Они принимают участие в энергетическом и пластическом обмене; с углеводами связана специфичность групп крови высших организмов; химия иммунитета. Многие углеводы используются в качестве медицинских препаратов.

Вопросы для самоподготовки

1.Открытые и циклические таутомерные формы глюкозы, галактозы, маннозы,

фруктозы, рибозы, дезоксирибозы и ксилозы.

2.Реакции окисления и восстановления моносахаридов.

3.Гликозиды и их биологическая роль.

4.Сложные эфиры углеводов: моно-, ди- и полисахаридов.

5.Доказательство строения углеводов – моносахаридов.

6.Строение, номенклатура и восстанавливающая способность дисахаридов: мальтозы, лактозы, целлобиозы.

7.Строение гомополисахаридов: крахмала, гликогена, клетчатки (целлюлозы). Их гидролиз.

Этапы занятия и контроль усвоения знаний

Содержание этапов занятия

1 этап. Преподаватель проверяет выполнение домашнего задания в рабочих тетрадях и оценивает его по пятибалльной системе.

2 этап. На 1 занятии по теме «Моносахариды» студенты пишут микроконтрольную работу по цикло-цепной таутомерии. На 2 занятии по теме «Ди- и полисахариды» каждый студент отвечает письменно на билет тест-контроля. Билет содержит 2 вопроса:

1-й вопрос – по теме «Моносахариды»; 2-й – по теме «Ди- и полисахариды».

Ответ оценивается по 10 балльной системе (0, 5 или 10 баллов).

3-й этап. На первом занятии по теме «Моносахариды» студенты учатся писать открытые и циклические таутомерные формы моносахаридов на примере глюкозы и фруктозы, разбирают конформационное строение моносахаридов, способствующее образованию 6- и 5- членных циклов (пиранозных и фуранозных форм) и конформации пиранозных форм; анализируют важнейшие химические свойства моносахаридов.

На 2-м занятии по теме «Ди- и полисахариды» разбираются структура, номенклатура, тип и свойства дисахаридов (мальтозы, лактозы, целлобиозы и сахарозы) и полисахаридов (крахмала, гликогена, целлюлозы).

4-й этап. Студенты выполняют лабораторные работы по теме занятия под руководством преподавателя.

5 этап. В ходе выполнения лабораторной работы студенты записывают наблюдения, анализируют их и делают выводы.

6 этап. Защита протоколов лабораторных работ, оценка преподавателем практических навыков, приобретенных студентами на занятии.