Таким образом возникают различные конформационные изомеры (конформеры). Их взаимные переходы осуществляются без разрыва связей. При полном обороте на 360˚ будут получаться 6 конформаций.
Угол поворота вокруг σ – связи называют торсионным. За min отчет принимают 60о
Если у С из 4-заместителей, хотя бы два одинаковы, то для тетраэдра есть плоскость симметрии, но а если 4 радикала разные, то нет плоскости симметрии.
45.
При замене третьего атома углерода на группировку, не идентичную двум другим, молекула теряет все элементы симметрии. Такие молекул получили название хиральных молекул.
Хиральные молекулы могут существовать в двух пространственных формах, похожих друг на друга как предмет и его изображение в зеркале («хирон»- рука). Эти молекулы не идентичны, поскольку совместить одну молекулу с другой нельзя.
Термин «хиральность» означает, что какие-либо два предмета находятся в таких отношениях друг с другом, как левая и правая рука, т.е. представляют собой зеркальные изображения друг друга, не совпадающие при попытке совместить их в пространстве.
Данные молекулы- изомеры, отличающиеся друг от друга не порядком соединения атомов в молекуле, а их фиксированным расположением.
Простейший случай возникновения хиральности молекулы обусловлен наличием в ней центра хиральности, которым служит sp3-гибридизованный атом (углерод, азот, кремний, германий и др.), содержащий 4 различных заместителя.
Среди органических соединений набольшее значение имеют соединения с хиральным атомом углерода. В связи с тем, что у такого атома отсутствуют элементы симметрии, его также называют асимметрическим и обозначают С*.
Изомерия, связанная с различным пространственным расположением атомов в молекуле, называется пространственной или стереоизомерией.
Ø Энантиомеры- это стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.
Стереоизомеры, не являющиеся зеркальным изображением один другого и имеющие различные физические и химические свойства, называются диастереомерами.
Эти понятия взаимоисключающие, т.е. если два стереоизомера не энантиомеры между собой, то они являются диастереомерами.
Энантиомеры одинаковы по физ. и хим. свойствам. Они имеют одинакоую температуру кипения, плавления, обладают одинаковой растворимостью, вступают с одинаковой скоростью в одни и те же хим.р-ции.
Отличить их можно например, с помощью поляризованного света.
Энантиомеры способны вращать плоскость поляризации света, т.е. обладают оптической активностью.
Энантиомеры имеют одинаковое значение величины угла вращения альфа, но противоположное его направление.
Диастереомеры обладают заметным различием в свойствах. Их можно различить с помощью обычных методов разделения органических в-в.
Традиционным примером природной пары энантиомеров с одним центром хиральности служит 2-гидроксипропановая кислота (молочная).
В молекуле этого соединения содержится один асимметрический атом углерода.
Для изображения энантиомеров на плоскости используют проекционные формулы Фишера (проекции Фишера).
46.
Конфигурация асимметрического атома углерода может быть описана тем или иным способом. Наиболее широко применяются правила Фишера, использующие обозначения D и L и правила Кана-Ингольда-Прелога, использующие обозначения R и S.
Правила Фишера связывают расположение атомов и атомных групп у асимметрического атома углерода.
Конфигурационным стандартом принято считать глицериновый альдегид.
В молекуле может присутствовать несколько асимметрических атомов углерода. В таком случае кол-во стереоизомеров возрастает. Часть из них будет зеркальными изомерами.
Общее число стереоизомеров можно рассчитать по формуле 2n, где n- число асимметрических центров в молекуле.
Связь пространственного строения с биологической активностью. Большинство метаболитов являются хиральными молекулами. При взаимодействии одних хиральных молекул с другими хиральными молекулами появляются различия в их хим.свойствах. Такие молекулы обычно реагируют несколькими реакционными центрами и характер их взаимодействия будет зависеть от их взаимной ориентации.
В процессе обмена в клетке участвует L-яблочная кислота, L-молочная кислота, L-аминокислоты, D-сахара.
Хиральными молекулами являются белки, построенные из L-аминокислот, фосфолипиды, витамины, гормоны и т.д.
Стереоизомерия лежит в основе специфичности взаимодействия субстрат-фермент, гормон-рецептор, антиген-антитело и т.д.
Фармакологические действия ряда лекарственных веществ обусловлено их взаимодействием с рецепторами клетки.
При создании новых лекарственных веществ, имеющих хиральные центры, следует иметь ввиду, что различные энантиомеры могут обладать различным и даже противоположным действием, биодействием.
Например, препарат тамидомид(+) – хороший транквилизатор и снотворное, а (-)- является тератогеном (оказывает токсическое действие на плод).
Левовращающий энантиомер кокаина почти в 2 раза более активен в качестве местного анастетика, чем его правовращающий оптический антипод.
Из 2 энантиомеров адреналина наибольшую фармакологическую активность имеет (-), (+)адреналин биологической активностью не обладает.
Причиной такой специфичности взаимодействия является комплементарность- взаимное соответствие дополняющих друг друга структур (макромолекул, коферментов, субстратов, радикалов и др.), определяемое их пространственной структурой и химическими свойствами (способностью образовывать водородные и др.связи).
Аналогичная картина характерна и для ряда других лекарственных средств. Так, правовращающий изопропиладреналин (изадрин) проявляет в 800 раз более сильное бронхорасширяющее действие, чем его левовращающий энантиомер.
Лекарственное средство противоопухолевого действия сарколизин является левовращающим энантиомером; правовращающий сарколизин не активен.
В настоящее время среди поставляемых на фармацевтический рынок хиральных лекарственных веществ 15% производятся в виде индивидуальных стереоизомеров, остальные- в виде рацематов или диастереомеров.
47.
Углеводы (сахара)- обширный класс органических соединений, к которому относятся полиоксикарбонильные соединения и их производные.
В составе клеток животных организмов углеводы присутствуют в небольших количествах – до 2% от общей массы организма.
В растительных организмах на долю углеводов приходится до 80% сухой массы, поэтому в биосфере в целом углеводов больше, чем всех других органических веществ вместе взятых.
Важнейшие функции углеводов:
Ø Энергетическая- главный вид клеточного «топлиа»
Ø Структурная- участвуют в построении структурных компонентов клеток и межклеточного вещества
Ø Защитная- участвуют в поддержании иммунитета (компоненты иммуноглобулинов)
Ø Пластическая- входят в состав важных в биологическом отношении молекул: нуклеиновых кислот, коферметов, гликопротеинов, гликолипидов.
Моносахариды – это простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов.
Имеют общую формулу: C𝑛(𝐻2𝑂)𝑛
В молекулах моносахаридов одновременно содержатся одна оксогруппа(альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп. Таким образом, моносахариды с химической точки зрения представляют собой полигидроксикарбонильные соединения.
Моносахариды классифицируются по характеру имющийся в их составе карбонильной группы:
По природе оксогруппы:
Ø · Альдозы
Ø · Кетозы
Моносахариды классифицируют и по числу ходящих в их состав атомов углерода:
Ø · Триозы
Ø · Тетрозы
Ø · Пентозы
Ø · Гексозы
Ø · Гептозы и т.д
Наиболее распространенные моносахариды глюкоза (1) и фруктоза (2) являются соответственно альдогексозой и кетогексозой:
В природе наиболее распространены моносахариды, в молекулах которых содержится 5 углеродных атомов (пентозы) или шесть (гексозы).
Стереоизомеры моносахаридов принято классифицировать на соединения Д и L- ряда
Число стереоизомеров для каждого моносахарида можно вычислить по формуле Х=2n.
n-число хиральных центров
Наиболее важными в биологическом отношении гексозами (кроме глюкозы и фруктозы являются):
Наиболее важными пентозами являются
Моносахариды, отличающиеся друг от друга по положению функциональной группы относительно одного (любого) хирального атома углерода, называются эпимерами (глюкоза, гаактоза и манноза; рибоза и ксилоза)
Молекулы моносахаридов, имея в составе несколько хиральных центров, обладают оптической активностью, т.е. способны вращать плоскость поляризованного луча света вправо и влево.
Любой из моносахаридов характеризуется специфической величиной удельного вращения. Установлено, что величина удельного вращения при растворении большинства моносахаридов меняется и лишь при длительном стоянии раствора достигает определенного значения.
Изменение удельного угла вращения моносахаридов при стоянии называется муторотацией.
Причиной муторотации является способность моносахаридов образовывать циклические полуацетали и полукетали за счет взаимодействия карбонильной и гидроксильной групп.
По теории Байера внутримолекулярное взаимодействие спиртовой и карбонильной групп наиболее благоприятно, если оно приводит к образованию пятичленных (фуранозных) или шестичленных (пиранозных) циклов.
Стереоизомеры, отличающиеся друг от друга расположением атомов и атомных групп вокруг вновь образовавшегося центра асимметрии, называются аномерами.
Молекулы ациклических форм моносахаридов принято изображать с помощью формул Фишера, в которых С-С связь изображается в виде вертикальной линии, относительно которой слева и справа показывают положение атомов и атомных групп.
Однако, формулы Фишера неудовлетворительно передают пространственную форму молекул углеводов, поэтому в 20-ых годах 20 века ХЕУОРС предложил пиранозный цикл изображать в виде шестиугольника, а фуранозный- в виде пятиугольника.
Плоскость многоугольника изображается перпендикулярно плоскости бумаги и связи, расположенные ближе к наблюдателю, выделяются более жирной чертой.
Заместители, расположенные справа от остова молекулы при ее линейном изображении помещают ниже плоскости кольца.
Заместители, находящиеся слева, занимают положение выше плоскости кольца.
Исключение имеет место для заместителей у атома углерода моносахарида, гидроксил которого принимает участие в образовании полуацеталя.
48.
Моносахариды, имея в составе гидроксилы спиртового и полуацетального типа или карбонильную группу, представляют собой высоко реакционно-способные соединения.
Наиболее важной реакцией для моносахаридов является реакция их фосфолирирования. В качестве фосфолирирующего агента в клетках выступает АТФ, а сама реакция катализируется ферментами:
Реакция фосфолирирования представляет, как правило, начальную реакцию использования их в организме.
Моносахариды в клетках могут подвергаться эпимеризации, т. е. изменению конфигурации у какого – либо одного хирального центра. Наиболее известным процессом является превращение глюкозы в галактозу в организме:
Глюкоза в клетках может быть подвергнута восстановлению в шестиатомный спирт сорбит:
В результате этой реакции образуется шестиатомный спирт сорбит, который используется для лечебного питания больных сахарным диабетом, заменяя в пище глюкозу, которую больные диабетом плохо переносят.
К биологически важным реакциям относятся также реакции моносахаридов, идущие с участием полуацетальных гидроксилов. Эти взаимодействия приводят к образованию ацеталей, называемых гликозидами.
Моносахариды, относящиеся к ряду альдоз, могут быть обнаружены в растворе с помощью качественных реакций, например, с Сu(OH)2, при добавлении которого на холоду образуется вещество сине – фиолетового цвета. Нагревании реакционной смеси до кипения приводит к появлению осадка оранжевого цвета Сu2O.
Появление оранжевого окрашивания наблюдается только в присутствии альдоз, кетозы (фруктоза) этой реакции не дают.
Реакции окисления моносахаридов
Наличие альдегидной группы в оксоформе глюкозы делает её легко окисляемой в глюконовую кислоту:
Сильные окислители окисляют глюкозу до глюкаровой кислоты.
Возможно окисление глюкозы только поС6 с образованием глюкуроновой кислоты. Данная реакция широко представлена в организме, она катализируется специальными ферментами:
49.
Углеводная часть гликозида получила название «гликон», а остаток спирта или амина – «агликон».
Биологическое значение гликозидов:
О-гликозидами являются ди –и полисахариды, в том числе и биологически важные;
По типу о- гликозидов построены структуры некоторых лекарственных препаратов: антибиотиков и сердечных гликозидов
N-гликозидами являются нуклеозиды, которые входят в состав нуклеотидов, из которых построены молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК.
Гликозиды могут быть гидролизованы в кислой среде, в результате чего образуется моносахарид и спирт (амин).
50.
Молекулы дисахаридов состоят из двух остатков моносахаридов, соединённых между собой гликозидной связью. По способу образования гликозидной связи все дисахариды делятся на восстанавливающие и невосстанавливающие.
Гликозидная связь в восстанавливающих дисахаридах образована за счёт гликозидной группы первого моносахарида и любой (но не гликозидной) гидроксильной группы второго моносахарида.
В результате такого способа образования второй остаток моносахарида содержит свободную гликозидную группу, поэтому возможно образование ациклической формы.
Именно поэтому для восстанавливающих дисахаридов характерны реакции «серебряного» и «медного» зеркала.
Примерами такого типа дисахаридов являются, например, мальтоза, целлобиоза, лактоза.
51.
Крахмал – резервный полисахарид растений. При гидролизе крахмал вначале расщепляется на менее крупные обломки – декстрины, а конечным продуктом гидролиза является Д-глюкоза.
Крахмал является гетерогенной смесью молекул с различной молекулярной массой в пределах от 50000 до нескольких миллионов.
Природные крахмалы представляют собой смесь молекул двух типов, которые можно отделить друг от друга. Одно из них – амилоза, другое – амилопектин.
Амилоза - по структуре представляет длинную неразветвлённую цепь, состоящую из остатков альфа-Д-глюкозы, соединённых между собой альфа-1,4-гликозидными связями:
Амилопектин имеет разветвлённую структуру. Основная линейная цепь молекулы амилопектина образована остатками глюкозы, соединённых между собой α-1,4-гликозидными связями, а в местах разветвлений встречаются
α -1,6-гликозидные связи. Точка ветвления встречается примерно на каждые 20 – 30 мономерных единиц.
Количество мономерных единиц в молекулах амилозы и амилопектина колеблется в широких пределах:
молекулы амилозы содержат в среднем около 1000 мономерных остатков и могут быть вытянуты в тонкую цепь в среднем около 500 нм, что превышает размеры кристаллических областей в гранулах крахмала, поэтому цепь амилозы скручена в левую спираль.
В каждом витке спирали укладывается 6 мономерных остатков, шаг спирали составляет 0,8 нм, диаметр спирали -14 нм.
Полагают, что широко известная качественная реакция крахмала с йодом обусловлена образованием комплекса йода со спиралью амилозы, в котором молекулы йода располагаются внутри спирали. Такой комплекс даёт характерное синее окрашивание.
Молекулы амилопектина имеют глобулярную форму, возможно, с частичной спирализацией отдельных участков её цепи.
В связи с большими размерами молекулы и амилоза, и амилопектин образуют не истинные, а коллоидные растворы, в которых молекулы сильно гидратированы за счёт взаимодействия свободных гидроксильных групп с молекулами воды.
Резервным полисахаридом животных тканей является гликоген, который по своей структуре сильно напоминает амилопектин: он состоит из остатков α-Д глюкозы, соединённых между собой α-1,4 и α -1,6 гликозидными связями.
В отличие от амилопектина молекулы гликогена более разветвлены: точки ветвления находятся в среднем через 8 – 12моносахаридных остатков.
Гликоген имеет также значительно большую молекулярную массу, достигающую до 100млн.
Крахмал и гликоген, поступая в желудочно-кишечный тракт человека, расщепляются до своих мономерных единиц – остатков глюкозы. Катализаторами являются ферменты желудочно-кишечного тракта: амилаза и мальтаза, расщепляющие α-1,4 гликозидные связи между остатками глюкозы, а также амило-1,6-глюкозидаза, расщепляющая α -1,6 гликозидные связи.