Введение Рис. 1. Распределение химических соединений

1
Введение
Рис. 1. Распределение химических соединений, зарегистрированных CAS,
по классам (на 01.01.2000)
Особенности жизненных процессов
Структура живых организмов
H3C
N
H3C
N
-
OOC
(CH2)2
-
OOC
CH CH2
Fe
CH3
N
N
(CH2)2
CH CH2
CH3
2
Аминокислоты
1.
γ
CH3
β
CH2
α
CH COOH
γ
CH3
NH2
β
CH
α
CH2 COOH
NH2
α-аминомасляная кислота
β-аминомасляная кислота
NH2 CH2 CH2 CH2 COOH
γ-аминомасляная кислота
2.
Глицин,
NH2 CH2 COOH
моноаминомонокарбоновая
кислота
HOOC
CH2 CH COOH
NH2
H2N
(CH2)4 CH COOH
NH2
Аспаргиновая кислота,
моноаминодикарбоновая
кислота
Лизин, диаминомонокарбоновая
кислота
3
3.
Полярный радикал
ионогенный
HOOC CH CH2
NH2
неионогенный
HO CH2 CH COOH
NH2
OH
Тирозин
Серин
фенольная
спиртовая
ОН-группа
диссоциирует
В щелочной
среде
не диссоциирует
4
Таблица 1. Биологически важные природные аминокислоты
NH2
CH COOH
R
Ala
Открыватель, исходный
Материал с наибольшим (pI)
материал
содержанием
а) Нейтральные гидрофобные аминокислоты
CH3CHCOOH
Вейль, фиброин шелка (1888) фиброин шелка (29,7%) 6.02
Валин
Val
NH2
(CH3)2CHCHCOOH
Лейцин
Leu
Изолейцин
Ile
Фенилаланин
Phe
Метионин
Met
Триптофан
Trp
Название
Аланин
Сокращение
Структурная формула
Горуп-Безане, экстракт желез эластин (17,4%),
(1856)
сухожилия и аорта быка
NH2
(17,6%)
(CH3)2CHCH2CHCOOH
Пруст, творог (1819)
Сывороточный альбумин
быка (12,8%),
NH2
кукуруза (19%)
CH3 NH2
Эрлих, патока (1904)
Сывороточный альбумин
быка (2,6%),
CH3CH2CH CH COOH
белок овса (4,3%)
C6H5CH2CHCOOH
Шульце и Барбьери, ростки Сывороточный альбумин
люпина (1879)
(7,8%), γ-глубулин (4,6%),
NH2
овальбумин (7,7%)
CH3 S CH2CH2 CH COOH
Мюллер, казеин (1921)
γ-казеин (4,1%),
овальбумин (5,2%),
NH2
β-лактоглобулин (3,2%)
CH2 CH COOH Гопкинс и Кол, казеин (1901) лизоцим (яйца) (10,6%),
α-лактальбумин (7%))
NH
NH
5.97
5.98
6.1
5.88
5.8
5.88
NH2
Фишер, казеин (1901)
Пролин
Pro
Глицин
б) Нейтральные гидрофильные аминокислоты
H2NCH2COOH
Gly
Браконно, шелк (1820)
COOH
сальмин (6,9%), казеин
6.10
(10,6%), желатин (16,3%)
фиброин шелка (29,7%)
5.97
5
Серин
Треонин
HOCH2
Ser
CH3CH
Thr
OH
Тирозин
Tyr
Аспарагин
Asn
Глутамин
Gln
Цистеин
Cys
CH COOH
NH2
Крамер, шелковый клей
(1865)
CH COOH
Розе и др., фибрин (1935)
NH2
HO
CH2CHCOOH
NH2
NH2
C
CH2
Либих, сыр (1846)
NH2
CH COOH
Вокелин и Робике, спаржа
(1806)
O
NH2
C CH2CH2 CH COOH Шульце, сахарная свекла
(1877)
O
NH2
HSCH2CHCOOH
Бауман, цистин (1884)
NH2
Аспарагиновая
кислота
Глутаминовая
кислота
Лизин
в) Кислые аминокислоты (ионогенные)
HOOC CH2 CH COOH
Asp
Риттхаузен, бобовые (1868)
Glu
HOOC
CH2CH2
NH2
CH COOH
Риттхаузен, бобовые (1866)
NH2
г) Основные аминокислоты (ионогенные)
H2NCH2CH2CH2CH2CHCOOH
Lys
Дрехсель, казеин (1899)
Arg
HN
H2N
Гистидин
His
C NH CH2CH2CH2CHCOOH
6.50
5.65
5.41
кератин волос (14,4%),
кератин перьев (8,2%),
кератин шерсти (11,9%)
5.02
эдестин (12,0%),
3,20
глобулин ячменя (10,3%)
глиадин пшеницы
3.22
(39,2%), глиадин ржи
(37,7%), кукуруза (22,9%)
9.74
Шульце и др., проростки
люпина (1886)
10.7
6
Коссель, стурин (1896)
гемоглобин (7,0%)
7.58
NH2
N
NH2
NH
5.70
миоглобин лошади
(15,5%), сывороточный
альбумин быка (12,8%)
сальмин (86,4%),
желатин (8,3%)
NH2
Аргинин
фиброин шелка (16,2%),
трипсиноген (16,7%),
пепсин (12,2%)
кератин волос (8,5%),
яичный белок (10,5%)
фиброин шелка (12,8%),
папаин (14,7%)
CH2CHCOOH
6
Номенклатура аминокислот
CH3
Ala
Cys
HN CH COOH
или Cys
CH3
Ala
H2N
CH
CH2 S
H2N CH COOH
H2N CH COO
CH2
Lys
CH3
Ala
HN
CH
COOH
CH2
или Lys
CH2
COO
CH2 NH
Природные аминокислоты
Стереохимия аминокислот
COOH
NH2 CH COOH
R
H
H2N
COOH
H
R
R
α-аминокислота
β
α
L-α-аминокислота
β
α
CH3 CH2 CH CH COOH CH3 CH CH COOH
CH3 NH2
OH NH2
Изолейцин
NH2
Треонин
D-α-аминокислота
HO
N
H
COOH
4-гидроксипролин
7
COOH
H
H2N
H
NH2
NH2
H2N
COOH
CH2
S
S
CH2
H
H2N
COOH
L-цистин
H
H2N
CH2
S
S
CH2
CH2
S
S
CH2
H
COOH
COOH
H
COOH
D-цистин
Мезоформа цистина
α-Аминокислоты D- и L-стереохимических рядов
HOOCCH2CHCO NHCHCOOCH3
CH2C6H5
NH2
остаток
остаток
L-аспарагиновой метилового эфира
кислоты
L-фенилаланина
O
NH2
HOOC
NH
O
плоскость
симметрии
O
COOCH3
остаток
спирта
фенхола
8
Расщепление рацематов
RCH COOH
RCH COOH
RCH COOH
NH2
L-форма
NHCOCH3
L-форма
NH2
L-форма
(CH3CO)2O
RCH COOH
RCH COOH
NH2
D-форма
NHCOCH3
D-форма
α-аминокислота
(рацемат)
ацилаза
-CH3COOH
RCH COOH
NHCOCH3
D-форма
N-ацетил-α-аминокислота
(рацемат)
Разделение смеси
RCH COOH
RCH COOH
NH2
L-α-аминокислота
NHCOCH3
N-ацетил-D-α-аминокислота
-HCl
RCH COOH + CH3COOH
NH2
D-α-аминокислота
Физические и химические свойства
H2N CH COO H
R
Несуществующая
в природе форма!
H3N CH COO
R
Биполярный ион
(цвиттер-ион),
внутренняя соль
9
Кислотно-основные свойства
H2N
CH
-
COO
H+
OH-
H3N
R
-
COO
CH
H+
OH-
H3N
R
H2N
щелочной раствор
CH
CH
COOH
R
COOH
кислый раствор
R
Аминокислота
pKa1
рКа2
СН3СН3СООН
4,38
нет
Н3N+СН(СН3)СОО–
2,34
9,69
CH3CH2NH2
нет
10,67
Аминокислота
H2NCH2CH2CH2CH2CHCOOH (Lys)
рКа
α-NH2
ε-NH2 α-COOH γ-COOH
9,0
10,5
2,2
нет
9,7
нет
2,2
4,3
NH2
HOOC
CH2CH2
CH COOH (Glu)
NH2
Образование эфиров
R CH COOH + CH3OH
NH2
HCl (сухой)
-H2O
NH3
R CH COOCH3
R CH COOCH3
-NH4Cl
+ NH3 Cl
NH2
метиловый эфир
α-аминокислоты
10
Образование галогенангидридов
O
CH3
R
CH
C
NH
COOH
SOCl2 или POCl3
CH3
CH
COOH + Cl
NHX
замещенная
α-аминокислота
CH
C
NH
C
Cl
O
O
R
R
C
OC2H5
R
-HCl
O
CH
C
NHX O
O
C
OC2H5
O
смешанный
ангидрид
этилхлорформиат
Образование N-ацильных производных
R
CH
NH2
COOH + Cl
C
R'
-HCl
R
O
CH
COOH
NH
C
O
карбобензоксигруппа
CH2O
C
Cl
O
карбобензоксихлорид
R'
11
R
CH
COOH + C6H5
CH2
O
: NH2
карбобензоксизащита
Cl
O
карбобензоксихлорид
α-аминокислота
R
C
CH
COOH
HN
C
O
H2 / Pd, 25°C
удаление
защиты
R
CH
COOH + C6H5CH3 + CO2
NH2
CH2C6H5
O
трет-бутоксикарбонильная группа
(БОК-защита)
CH3
CH3
C
O
CH3
C
N3
O
трет-бутоксикарбоксазид
Реакции с участием только аминогруппы
H3N+ CHR
H3N+ CHR
COO- + NH2 R'
COO- + Me OH
H2N CHR
H2N CHR
COO- NH3+ R'
COO- Me+ + H2O
12
Алкилирование
COO- Me+ + R'Cl
H2N CHR
R'
HN CHR
R'
H2N+ CHR
COOH + MeCl
COO-
(CH3)3N + CH2 COO N,N,N-триметилглицин
Ацилирование
O
H2N
COO- + R' C
CHR
Cl + B:
O
R' C
NH
COO-BH+ + BH+Cl-
CHR
или
O
H2N
COO- + R' C
CHR
2
O + B:
O
R' C
NH
CHR
COO-BH+ + BH+R' COO-
13
Образование оснований Шиффа
O
H2N
-
+
COO Na
CHR
CH
CH
CH
C
+
N
CHR
N
CHR
COO-Na+
CH
O
OH
+ H2NCHCOOH
2
C
O
нингидрин
OH
HCl
COOH
N
C
H
R
α-аминокислота
N
и т.д.
14
O
O
C
C
+ CO2 + RC
N
C
C
O
OH
O
H
+ 3H2O
сине-фиолетовая окраска
Дезаминирование аминокислот
OH
А
H3N+ CHR
COO- + HNO2
R
COO-
CH2 CH
RCH
R
CH
COOH + N2 + H2O
CH
COOH + NH3
NH3+
(таким образом у некоторых микроорганизмов и высших
растений аспарагиновая кислота превращается в фумаровую)
Б
NH3+ CHR
COO- + 2H+
R
CH2 COOH + NH3+
(у некоторых микроорганизмов)
В
NH3+ CHR
COO- + H2O
R
CH COOH
OH
(тип дезаминирования, характерный для микроорганизмов)
15
Г
COO-
CH2 CH
фермент
OH NH3+
COO-
CH2 C
NH3+
CH3 C
COO- H2O
CH3 C
NH2+
COO- + NH4+
O
(этот тип дезаминирования характерен для таких аминокислот,
как серин, треонин, цистеин, гомоцистеин)
Образование ДНФ-производных
NO2
O2N
NO2
F + NH2CHCOOH
R
2,4-динитрофторбензол
(ДНФБ)
OHO2N
-HF
NHCHCOOH
R
ДНФ-производные
α-аминокислот
16
Образование ФТГ-производных (реакция Эдмана)
C6H5
O
δ+
N
C
S + NH2CH2COOH
фенилизотиоцианат
C6H5
NH
C
глицин
S
S
циклизация; H+
-H2O
C6H5
N
NH
CH2
C
OH
NH
O
Амидная связь
фенилтиогидантоин
Фрагмент
Фрагмент
мочевины
тиомочевины
O
S
HN
O
NH
R
Гидантоин
HN
O
S
NH
R
Тиогидантоин
C6H5
N
O
NH
Радикал
α-аминокислоты
R
ФТГ-производные α-аминокислот
17
Отношение аминокислот к нагреванию
а) α-аминокислоты при нагревании димеризуются с образованием
шестичленных циклических дикетопиперазинов:
O
H3N
OOC
HN
R
R
COO
R
R
H3N
NH
O
дикетопиперазин
б) β-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак, превращаясь
в α, β-непредельные кислоты, точнее, в их аммонийные соли:
H
R
O
H3N
R
O
-NH3
O
α
R
β
O
O
O NH4
в) γ-аминокислоты претерпевают внутримолекулярную циклизацию,
отщепляя молекулу воды с образованием внутреннего циклического
амида (γ-лактама):
R
NH3
R
O
NH H
O
H
R
NH
-H2O
O
O
O
γ-лактам
18
лактам
R
N
δ+H
R
N
δO
R
R
O
H
O
N
H
OH
N
лактим
г) δ-аминокислоты при нагревании также превращаются в продукты
внутримолекулярной
циклизации
(δ-лактамы,
производные
пиперидона-2).
R
R
NH3
O
O
NH
O
δ-лактим
19
д)
O
n H3N+
(CH2)5 COO-
NH
(CH2)5 C
n
Биологически важные химические реакции
H
O
C
2-O POCH
3
2
H
CH
C
N
2-O POCH
3
2
OH
+
N
R
COOH
H
O
NH2CHCOOH
CH3
R
N
H
CH3
H
α-аминокислота
пиридоксальфосфат
Альдимин I
фермент
фермент
Lys
NH2 (CH2)4
H
H
O
O
O
-
O
P
O-
N
OH
O
N
CH3
H
пиридоксальфосфат
-
O
P
O-
(CH2)4
H
O
O
N
H
Фермент-имин
CH3
20
Трансаминирование
Донорная
α-аминокислота
HOOC
CH2 CH
Акцепторная
α-оксокислота
COOH + HOOC
CH2 CH2 C
NH2
O
α-оксоглутаровая кислота
L-аспаргиновая кислота
HOOC
COOH
трансаминаза +
пиридоксальфосфат
CH2 C
COOH + HOOC
CH2 CH2 CH COOH
O
NH2
Щавелевоуксусная
кислота
L-глутаминовая
кислота
Донорная
α-аминокислота
Акцепторная
α-оксокислота
Перенос аминогруппы
Подвижный
атом водорода
H
H
P
R
C
C
N
OCH2
COO
C
H
H
O
N
CH3
COO-
R
-
P
-H+
C
OCH2
N
H
O
N
H
H
Альдимин I
II
CH3
H+
21
COO-
R
C
H
P
H
OCH2
N
C
O
N
CH2NH2
H
P
OCH2
OH
+H2O
+ R
N
CH3
CH3
O
Пиридоксаминфосфат
α-оксокислота
Декарбоксилирование
OOC
Декарбоксилаза
+
пиридоксальфосфат
NH3+
CH
RCH2NH2 + CO2
R
α-аминокислота
амин
Декарбоксилирование в организме
H
H
P
COO-
H
H
-
C
R
C
C
N
OCH2
COO-
CHR
H
H
O
N
H
Альдимин I
CH3
P
C
OCH2
N
H
O
-CO2
N
H
IV
CH3
H+
22
CH2R
H
P
C
N
H
H
OCH2
P
O
N
C
O
OCH2
OH
+H2O
+ RCH2NH2
N
CH3
CH3
H
H
Альдимин Iа
Пиридоксальфосфат
N
биогенный амин
N
CH2CHCOOH
N
NH2
H
-CO2
CH2CH2NH2
N
H
гистидин
гистамин
Элиминирование
R
CH
CH
COOH
X
NH2
-HX
R
CH
C
COOH
таутомерия
NH2
β-замещенная α-аминокислота
X=OH, SH
енаминный
фрагмент
HO
R
CH2
C
COOH
NH
α-иминокислота
H2O
иминогруппа
R CH2
C
COOH
NH2
карбиноламинная группа
-NH3
RCH2 C
COOH
O
α-оксокислота
23
CH2
CH
OH
NH2
COOH
-H2O
серин
H2O
CH2
C
COOH
таутомерия
CH3 C
NH2
COOH
NH
енаминнокислота
α-иминокислота
HO
CH3
C
COOH
NH2
CH3 C
-NH3
COOH
O
Пировиноградная
кислота
CH-кислотный центр
OH H
R
H
P
CH
C
C
N
OCH2
COO-
H
H
P
O
N
R
CH3
-H2O
CH
C
C
N
OCH2
COOH
O
N
H
H
Альдимин I
Альдимин I б
CH3
+H2O
24
H
P
C
O
OCH2
OH
+ R
N
CH
CH3
COO-
C
NH2
H
V
Пиридоксальфосфат
R
CH2
COO-
C
NH
+H2O
R
-NH3
CH2
C
O
Va
α-оксокислота
Альдольное расщепление
HOCH2 CH
COO-
COO-
CH2
NH3+
глицин
серин
H
+
C
O
H
NH3+
формальдегид
Окислительное дезаминирование
HOOCCH2CH2CHCOOH
НАД+
НАДН + Н+
HOOCCH2CH2CCOOH
NH2
L-глутаминовая кислота
COO-
NH
α-иминоглутаровая кислота
HOOCCH2CH2CCOOH + H2O
HOOCCH2CH2CCOOH + NH3
NH
O
α-оксоглутаровая кислота
25
R
CH
COOH + HNO2
NH2
α-аминокислота
R
CH
COOH + N2 + H2O
OH
α-гидроксикислота