Омыляемые липиды Мак Левашова

МИНИСТЕРСТВО ОХРАНЫ ЗДОРОВЬЯ УКРАИНЫ
ХАРКОВСЬКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ
Методические указания для самостоятельной работы студентов
1-го курса по биологической и биоорганической химии
(модуль 1)
Утверждено
Учёным советом университета
Прот. №10 от 21 ноября 2013 г.
Харьков
2014
1
Омыляемые липиды: Метод. указ. для студентов 1-го курса / сост.
А.О. Сыровая, Л.Г. Шаповал, В.Н. Петюнина, Е.Р. Грабовецкая, В.А. Макаров,
С.В. Андреева, С.А. Наконечная, Л.В. Лукьянова, Р.О. Бачинский, С.Н. Козуб,
Т.С. Тишакова, О.Л. Левашова, Н.В. Копотева, Н.Н. Чаленко. – Харьков: ХНМУ,
2014. – С.16.
Составители:
А.О. Сыровая,
Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина,
Е.Р. Грабовецкая,
В.А. Макаров,
С.В. Андреева,
Л.В. Лукьянова,
С.А. Наконечная,
Р.О. Бачинский,
С.Н. Козуб,
Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова,
Н.В. Копотева,
Н.Н. Чаленко
2
Тема. ОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ
Мотивационная характеристика темы
Строение и химические свойства омыляемых липидов и их структурных
компонентов составляет химическую основу для изучения структуры
биологических мембран и липидного обмена.
Учебная цель
Изучить строение и закономерности химического поведения сложных
эфиров, омыляемых липидов.
Учебно-целевые вопросы
1) Знать электронный механизм реакции этерификации и важные химические
свойства сложных эфиров (гидролиз, восстановление, взаимодействие с аммиаком
и аминами).
2) Знать строение, физические свойства, аналитические характеристики и
химические свойства жиров. Иметь представление об их биологической роли.
3) Осознать строение фосфолипидов (кефалина и лецитина) и иметь
представление об их биологической роли.
4) Изучить строение восков, сфинголипидов, гликолипидов.
5) Знать особенности химического поведения тиоэфиров, образование и
свойства эфиров кофермента А.
Методологические вопросы
1) Дифильная природа липидов - химическая основа их биологической
функции, пример диалектического единства и борьбы противоположностей.
2) Иллюстрация диалектических законов о единстве и борьбе
противоположностей.
Исходный уровень
1) Строение и свойства двойной связи. Цис - транс - изомерия.
2) Электронное строение свободных радикалов.
3) Конформации открытой углеводородной цепи.
4) Механизм электрофильного замещения (АЕ-реакция).
5) Механизм нуклеофильного замещения у тригонального (spІ) атома
углерода. Свойства сложных эфиров.
3
Практические навыки
1) Прогнозирование свойств сложных эфиров, омыляемых липидов.
2) Получение сложных эфиров, проведения реакций омыления жиров,
доказательство непредельности высших карбоновых кислот, входящих в состав
жиров.
Литература: [1, с.427-439, 2, с.118-128]
Контрольные вопросы
1) Получите сложный эфир пропионовой кислоты и метилового спирта.
Приведите механизм реакции.
2) Напишите уравнение реакции гидролиза и гидрогенизации 1-2-3-стеароилглицерина.
3) Напишите уравнения гидролиза лецитина, содержащего пальмитиновую и
линолевую кислоты в присутствии серной кислоты.
4) Напишите схему реакции образования ацетил-КоА и приведите примеры
реакций, характеризующих его свойства.
Учебные задачи и этапы их решения
Задача № 1. Приведите механизм реакции образования и гидролиза сложных
эфиров.
Эталон решения. Сложные эфиры следует рассматривать как продукты
замещения гидроксильной группы кислоты остатком спирта – OR. Сложные
эфиры могут быть образованы как органическими, так и неорганическими
кислотами:
O
CH3
O
C
HO
O-C2H5
этиловый эфир
уксусной кислоты
O
S
O-C2H5
этиловый эфир
серной кислоты
Образование сложных эфиров происходит при нагревании кислот со
спиртами в присутствии минеральных кислот:
4
O
CH3
C
O
OH
+ H+
H
CH3
+
C
..
O
+
OH
C2H5
H
OH
CH3
+
C
O
C2H5
CH3
OH H
C
O
C2H5 + H2O + H+
O
Протон, присоединяясь к кислородному атому карбонильной группы,
превращает органическую кислоту в карбкатион, к которому присоединяется
молекула спирта за счет неподельной электронной пары кислорода. Продукт
присоединения стабилизируется, выделяя протон и молекулу воды.
Одним из наиболее важных свойств сложных эфиров является гидролиз,
катализируемый как кислотами, так и щелочами. Механизм гидролиза в щелочной
среде:
O
CH3
C
O
+ OH
C2H5
_
_
O
CH3
C
OH
O
C2H5
CH3
O
C
_ + C2H5 OH
O
Задача № 2. Приведите схему образования фенацетина (жаропонижающее
средство) из этилацетата и n-фенетидина.
Эталон решения. Сложные эфиры, такие как галогенгидриды карбоновых
кислот, выполняют роль ацилирующих средств и поэтому в реакции с
нуклеофильными реагентами (например, аминами), они образуют амиды кислот.
Эти преобразования имеют место при синтезе фенацетина из этилацетата и nфенетидина:
O
O
C2H5 O C
NH C
H N H
CH3
CH3
+
O-C2H5
O-C2H5
5
C2H5OH
Задача № 3. Сравните ацилирующую способность сложных эфиров и
тиоэфиров
O
+
O
+
R C
R
C
O
O
.. R'
.. R"
Эталон решения. Ацилирующая способность тиоэфиров выше
соответствующих сложных эфиров, что объясняется меньшим +M эффектом со
стороны SR'-группы. В результате этого δ+ заряд на карбонильном углероде
тиоэфира выше, чем в сложном эфире. Кроме того, SR'-ион стабильнее чем ОR'ион, т.е. более легко уходящая группа.
Задача № 4. Нейромедиатор ацетилхолин образуется в организме
ацилированием холина ацетил-КоА. Приведите схему данной реакции.
Эталон решения.
CH3
O
H3C
+
N
CH2 CH2
OH + AoКS
C
CH3
CH3
CH3
H3C
N
+
O
CH2 CH2
O
C
CH3 + KoA
SH
CH3
Задача № 5. Рассчитайте теоретическое значение числа омыления и йодного
числа для 1-олеиноил-2-пальмитоил-3-стеароил-глицерина. Чем отличаются
триглицерины, имеющие различные значения числа омыления и йодного числа?
Эталон решения. Жирами называют сложные эфиры, образованные
глицерином и различными органическими кислотами. Если глицерин является
постоянной составной частью жиров, то кислоты, входящие в их состав, очень
разнообразны. В настоящее время выделено около 50 различных кислот с числом
атомов углерода от 4 до 26. Характерно, что почти все они имеют четное число
углеродных атомов и неразветвленные углеродные цепи.
Наиболее часто в жирах встречаются следующие кислоты:
Предельные: лауриновая
С11Н23 СООН;
миристиновая
С13Н27 СООН;
пальмитиновая
С15Н31 СООН;
стеариновая
С17Н35 СООН;
Непредельные: олеиновая
С17Н33 СООН;
линоленовая
С17Н29 СООН;
линолевая
С17Н31 СООН.
6
Почти все жиры являются триацилглицеридами, т.е. содержат в молекуле
три остатка кислот. Обычно жирные кислоты, входящие в состав жиров,
различны, например:
О
CH2 O
CH
Олеопальмитостеарин
(1-олеиноил-2-пальмитоил-3-стеароилглицерин)
C C 17H33
О
O C C 15H31
О
CH2 O C
C 17H35
Консистенция жиров зависит от строения кислот, входящих в их состав.
Твердые жиры состоят преимущественно из глицеридов предельных кислот, а
жидкие (часто называемые маслами) содержат значительное количество
непредельных кислот.
Для аналитической характеристики жиров определяют их температуру
затвердевания, а также число омыления и йодное число. Чем больше предельных
кислот входит в состав жира и чем больше их молекулярная масса, тем при более
высокой температуре он затвердевает. Например, температура затвердевания
подсолнечного масла 18 оС, а коровьего +30-38 оС.
Число омыления – это количество миллиграммов гидроксида калия,
необходимого для нейтрализации высших карбоновых кислот, образующихся при
омылении 1 г жира.
В основе определения числа омыления лежит реакция:
О
CH2 O C C17H33
О
CH2
OН
C17H33COOK
CH
CH
OН
+ C15H31COOK
CH2
OН
C17H35COOK
O C C15H31 + КОН
О
CH2 O C
C17H35
Расчет теоретического значения числа омыления: относительная
молекулярная масса олеиноил-пальмитоил-стеароилглицерина С55Н104О6 = 857,
масса гидроксида калия, израсходованного на омыление 3-х моль КОН = 168:
857 – 168
1,0 – х
х=0,196= 196 мг.
Число омыления позволяет определить молекулярность высших карбоновых
кислот, входящие в состав жира. Малые значения чисел омыления указывают на
присутствие высокомолекулярных кислот, а большие – низкомолекулярных.
7
Йодное число – это количество граммов йода, которое присоединяют по
двойным связям 100 г жира, и служит мерой определения содержания
ненасыщенных жирных кислот.
CH2
O
CO
(CH2)7 C
C
CH
O
CO
C15H31
H
H
CH2
O
CO
C17H35
+ I2
CH2
(CH2)7
CH3
+ I2
I
I
CH2
O
CO
(CH2)7 C
C
CH
O
CO
C15H31
H
H
CH2
O
CO
C17H35
CH2 (CH2)7 CH3
Расчет теоретического значения йодного числа: относительная
молекулярная масса жира С55Н104О6 = 857, относительная молекулярная масса 1
моль I2 = 254:
857 – 254
100 – х
х=29,6 г.
Значение йодного числа дает возможность судить об агрегатном состоянии
жира. Если йодное число меньше 70, то жир твердый, больше 70 – жидкий, т.е.
масло. Таким образом, 1-олеиноил-2-пальмитоил-3-стеароилглицерин – твердый
жир.
Задача № 6. На основе химического строения охарактеризуйте свойства
кефалинов и лецитинов.
Эталон решения. Кефалины и лецитины – это сложные липиды,
являющиеся основными липидными компонентами клеточных мембран. Они
являются сложными эфирами, которые образует фосфатидная кислота с
аминоспиртами: этаноламином (кефалины) и холином (лецитины):
8
CH2
CH
O
CO
CO
O
R'
CH2
O
CO
R'
CH2
O
CO
C13 H27
R''
CH
O
CO
R''
CH
O
CO
C17 H31
O
O
CH2
O
P
OH
CH2
O
OH
O
P
O
OH
CH2
CH2
CH2
O
P
NH2
O
CH2
CH2
+
N CH3
H3C
OH
_
OH
CH3
фосфатидная
кислота
кефалин
(фосфатидилэтаноламин)
лецитин
(фосфатидилхолин)
где R '- остаток насыщенной высшей карбоновой кислоты;
R'' - остаток ненасыщенной высшей карбоновой кислоты.
Так сложны эфиры лецитины и кефалины гидролизуются с образованием
исходных веществ:
CH2
O
CO
R'
CH
O
CO
R''
+ 4 H2O
O
CH2
O
P
O
CH2 CH2
CH2
OН
R'COOH
CH
OН +
R''COOH
CH2
OН
H3PO4 + HOCH2 CH2
NH2
NH2
OH
Остаток фосфорной кислоты в этих соединениях обусловливает кислотные
свойства, аминогруппа – основные, т.е. фосфолипиды – амфотерные соединения,
образующие внутренние соли (биполярный ион или цвиттер-ион):
CH2
O
CO
R'
CH2
O
CO
R'
CH
O
CO
R''
CH
O
CO
R''
O
CH2
O
P
OH
O
OCH2 CH2
CH2
O
_
NH2
9
P
OCH2 CH2
O
+ NH
3
Наличие в молекулах фосфолипидов ненасыщенных карбоновых кислот
обусловливает их способность к реакциям электрофильного присоединения и
окисления (см. тему «Радикальные и электрофильные реакции»).
Еще одной группой липидов является воски – сложные эфиры высших
монокарбоновых кислот с неразветвленной цепью (пальмитиновой и др.) и с
высшими
неразветвленными
одноатомными
спиртами:
стеариловым,
пальмитиновым (цетиловый), мирициловым. Например, пчелиный воск содержит
мирициловый эфир пальмитиновой кислоты; воск из головы кашалота (спермацет)
состоит из цетилпальмитата. Воски образуют защитную смазку на коже,
покрывают листья и плоды высших растений. В нервной ткани содержатся
сложные липиды – сфингомиелины, при гидролизе которых образуется одна
молекула непредельного двухатомного спирта – сфингозина, одна молекула
жирной кислоты (пальмитиновой, стеариновой, лигноцериновой или нервоновой),
молекула фосфорной кислоты и молекула холина:
CH3 (CH)12 CH
CH
CH
CH
OH
NH2
COOH
сфингозин
O
C23H47 C
O
C23H45
OH
лигноцериновая кислота
CH3 (CH)12 CH
CH
C
OH
нервоновая кислота
CH
CH
OH
NH
O
CH2 O
O
P
O
CH2
C
C23H47
CH2
H3C
+
N
CH3
CH3
сфингомиелин
Еще одной группой сложных липидов (гликолипидов) являются
цереброзиды, содержащиеся в большом количестве в белом веществе мозга. Они
состоят из сфингозина, галактозы и высших жирных кислот – лигноцериновой,
нервоновой, цереброновой:
10
CH3 (CH)12 CH
CH
CH
CH
OH
NH
O
CH2
O
C6H11O5
C
C23H47
цереброзид
Лабораторные опыты
Опыт 1. Получение уксусно-этилового эфира.
В пробирку помещают немного порошка обезвоженного уксуснокислого
натрия (высота слоя 1-1,5 мм) и 3 капли этилового спирта. Добавляют 2 капли
концентрированной серной кислоты и осторожно нагревают в пламени горелки.
Что наблюдается? Реакцию применяют как качественную на кислоты и спирты.
Опыт 2. Окисление олеиновой кислоты марганцовокислым калием.
В пробирку помещают 2 капли олеиновой кислоты, 2 капли 5%-го раствора
карбоната натрия и 2 капли 2% раствора перманганата калия. Смесь встряхивают.
Опишите и объясните наблюдения и химизм процесса.
Опыт 3. Определение непредельности жира пробой со спиртовым
раствором йода.
В пробирку вносят 10 капель растительного масла, добавляют 20 капель
хлороформа и встряхивают содержимое пробирки. Затем добавляют 2 капли
раствора крахмала и при энергичном встряхивании по каплям добавляют
спиртовой раствор йода до появления синей окраски. Приведите химизм процесса
и объясните явления, происходящие в данной реакции.
Опыт 4. Омыление спиртов в водно-спиртовом растворе.
В широкую пробирку помещают 2 г жира, приливают 6 капель спиртового
раствора щелочи. Перемешивают смесь стеклянной палочкой и нагревают на
водяной бане до кипения. Омыление ведут 5-10 минут, пока смесь не станет
однородной массой. К полученной густой жидкости добавляют 6-7 мл
насыщенного раствора хлорида натрия (поваренной соли). Что наблюдается?
Приведите химизм процесса.
11
Вопросы и упражнения
№1
1. Опишите механизм реакции получения метилпропионата (метилового
эфира пропионовой кислоты) из соответствующей кислоты и спирта.
2. Изобразите конформацию углеводородного радикала, который
встречается в животных липидах миристиновой кислоты.
3. Получите жир, в состав которого входит линоленовая, олеиновая и
пальмитиновая кислоты. Какова, по вашему мнению, консистенция этого жира?
№2
1. Приведите механизм реакции щелочного омыления етилбутирата
(этилового эфира бутановой кислоты).
2. Напишите структурную формулу компонентов линетола (смесь этиловых
эфиров ненасыщенных высших жирных кислот с С16 и С18, а также насыщенных
аналогов этих кислот). Изобразите конформации их углеводородных радикалов.
3. Напишите уравнение реакции взаимодействия трилинолеоилглицерина с
йодом. Значение этой реакции.
№3
1. Для получения ненаркотического анальгетика метилсалицилата опишите
механизм реакции этерификации салициловой (о-оксибензойной) кислоты и
метилового спирта.
2. Напишите структурную формулу олл-цис-арахидоновой кислоты
С19Н31СООН-Δ5, 8,11,14. Относится ли она к сопряженным системам?
3. Напишите схему реакции щелочного омыления жира, компонентами
которого являются олеиновая и стеариновая кислоты? Какое значение имеет
данная реакция?
№4
1. Получите никотинамид (витамин РР) из этилового эфира (β-пиридинкарбоновой кислоты) и аммиака.
2. Приведите схему реакции гидролитического расщепления пальмитоилдистеароил-глицерина в кислой среде.
3. Запишите структурную форму кефалина, содержащего остатки линолевой
и пальмитиновой кислот. Какова биологическая роль кефалинов в организме?
12
№5
1. Получите из салициловой (о-оксибензойной) и уксусной кислоты
ацетилсалициловую кислоту (аспирин), обладающую жаропонижающим и
анальгетическим действием. Приведите механизм реакции.
2. Запишите уравнение реакции взаимодействия трилиноленоил-глицерина с
йодом. Какое значение имеет данная реакция?
3. Приведите строение лецитина, включающего стеариновую и олеиновую
кислоты. Биологическая роль лецитина.
№6
1. Приведите механизм реакции гидролиза фенилсалицилата (салола), что
применяемого внутрь при кишечных заболеваниях в щелочной среде кишечника.
C
O
OC6H5
OH
2. Запишите уравнение реакции гидрогенизации линоленоил-олеоилпальмитоил-глицерина. Какая консистенция исходного и конечного продукта?
3.
Приведите
строение
фосфатидилэтаноламина,
включающего
пальмитиновую и линолевую кислоты. Отметьте полярную и неполярную части
молекул. Способно ли данное соединение подвергаться пероксидному окислению?
№7
1. Приведите схему получения полного и неполного амида малоновой
кислоты.
2. Что такое число омыления? Для чего служит это число? Приведите
уравнение реакции, которая лежит в основе определения числа омыления.
3. Приведите уравнение реакции кислотного гидролиза фосфатидилхолина,
в состав которого входит стеариновая и олеиновая кислоты.
№8
1. Опишите механизм кислотного гидролиза изопропилацетата.
2. Что такое йодное число? Для чего служит это число? Приведите схему
реакции, которая лежит в основе определения йодного числа.
3. Определите консистенцию линолеодиолеина, напишите схему его
гидрогенизации. Какая консистенция конечного продукта?
13
№9
1. Приведите механизм реакции образования бензилбензоата
С6Н5-СО-ОСН2-С6Н5, который применяется для лечения чесотки, из
соответствующих исходных веществ в условиях кислотного катализа.
2. Напишите структурные формулы с учетом конформационного строения
цис- и транс-изомеров олеиновой кислоты. В виде какого изомера входит
олеиновая кислота в состав природных липидов?
3. Приведите уравнение реакции щелочного омыления жира, компонентами
которого являются линолевая и пальмитиновая кислоты.
№10
1. Приведите схему восстановления этилпропионата (этилового эфира
пропионовой кислоты).
2. Напишите уравнение реакции гидролитического расщепления в щелочной
среде дипальмитоил-стеароил-глицерина. Значение этой реакции.
3. Приведите схему взаимодействия фосфатидной кислоты, содержащей
остатки пальмитиновой и олеиновой кислот с этаноламином. К каким
биологически активным веществам относится конечный продукт?
№11
1. Приведите механизм кислотного гидролиза ацетил-салициловой кислоты
Приведите механизм реакции кислотного гидролиза ацетил-салициловой
кислоты (аспирина) – жаропонижающего и анальгетического средства, которая
имеет строение:
O
C
OH
O
CO CH3
2. Напишите уравнение реакции пероксидного окисления олеиновой
кислоты.
3. Получите жир, в состав которого входит линоленовая, линолевая и
стеариновая кислоты.
№12
1. Приведите схему взаимодействия уксусной кислоты с коферментом А
(структура записать схематично). Назовите образовавшийся продукт. Какова его
роль в процессах жизнедеятельности?
14
2. Напишите уравнение реакции гидролитического расщепления в кислой
среде линоленоил-олеоил-пальмитоил-глицерина.
3. Напишите уравнение реакции взаимодействия фосфатидной кислоты,
содержащей стеариновую и линолевую кислоты с холином. Какова биологическая
роль образовавшегося продукта?
№13
1.
Приведите
схему
реакции
получения
витамина
РР
(противопеллагрическое средство) из этилового эфира никотиновой кислоты (βпиридинкарбоновой кислоты) и аммиака. Дайте химическое название препарата.
2. Приведите схему реакции этерификации глицерина соответствующими
кислотами для получения диолеоил-линолеоил-глицерина. Каков механизм этой
реакции?
3. Приведите схему кислотного гидролиза кефалина, в состав которого
входит стеариновая и линолевая кислоты. Биологическая роль фосфолипидов.
№14
1. Приведите схему получения препарата изониазида (гидразид
изоникотиновой кислоты), обладающего противотуберкулезной активностью, с
изоникотиновой (γ-пиридинкарбоновой) кислоты и гидразина (NH2-NH2).
2. Напишите уравнение реакции пероксидного окисления линолевой
кислоты.
3. Напишите уравнение реакции гидрогенизации диолеостеарина. Значение
реакции.
№15
1. Напишите уравнение реакции гидролиза препарата Бепаск, который
применяется для лечения туберкулеза и имеет строение:
O
_
C O
C NН
O
OH
Ca
2
2. Напишите уравнение реакции взаимодействия трилинолеоилглицерина с
йодом. Значение этой реакции.
3. Изобразите конформацию углеводородного радикала, который встречается
в животных липидах миристиновой кислоты.
15
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. М.: – Медицина,
1985.
2. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии. Под
ред. Тюкавкиной Н.А. – М.: − Медицина, 1985.
3. Губський Ю.І. Біоорганічна хімія. Вінниця: − Нова книга, 2004.
4. Шаповал Л.Г., Чеховський В.Д., Петюніна В.М. Навчальний посібник з
органічної хімії. – Харків: − ХДМУ, 1994.
5. Теоретический курс по биологической и биоорганической химии (учебное
пособие). Модуль 1. Биологически важные классы биоорганических соединений.
Биополимеры и их структурные компоненты / Сыровая А.О., Шаповал Л.Г.,
Петюнина В.Н., Ткачук Н.М., Шапарева Л.П., Макаров В.А., Чеховской В.Д.,
Грабовецкая Е.Р., Бачинский Р.О., Наконечная С.А. – Харьков, ХНМУ. – 2013.
16
Учебное издание
Омыляемые липиды: методические указания для самостоятельной работы
студентов 1-го курса по биологической и биоорганической химии (Модуль 1)
Составители:
А.О. Сыровая,
Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина,
Е.Р. Грабовецкая,
В.А. Макаров,
С.В. Андреева,
Л.В. Лукьянова,
С.А. Наконечная,
Р.О. Бачинский,
С.Н. Козуб,
Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова,
Н.В. Копотева,
Н.Н. Чаленко
Ответственные за выпуск: В.О. Макаров, О.Л. Левашова
План 2014. Ризография.
Усл. печ. стр. 1,25, тираж 100 экз.
ФЛП Томенко Ю.И.
г. Харьков, пл. Руднева, 4
17