Биологическая роль пиррола реферат
Обновлено: 04.07.2024
2. Гетероциклические соединения – это циклические соединения, в кольцо которых кроме атомов углерода входят один или несколько атомов други
Гетероциклические соединения
– это циклические соединения, в кольцо
которых кроме атомов углерода входят
один или несколько атомов других
элементов (гетероатомов): O,S,N.
3. Нумерация в гетероциклах
1. устойчивы 5- и 6- членные циклы
2. нумерация - от гетероатома, чтобы
заместитель имел наименьший номер
3. если несколько гетероатомов:
старшинство гетероатомов O
S
N
4
N3
2
S1
Тиазол
4.По числу гетероатомов и их взаимному
расположению
N3
.
.
N
H
N
1
H
Пиразол
Пиррол
N2
N
1
H
Имидазол
10. 6. По числу циклов
Классификация
гетероциклов
Пурин
N
N
N
N
Пиримидин
N
N
Ядро
пиримидина
N
H
Имидазол
N
H
Ядро
имидазола
12. 7. По кислотно-основным свойствам
13. Биологически важные азотсодержащие ароматические гетероциклические соединения
15. Биологическая роль пиррола:
23. Гемоглобин и его производные
24. Гемоглобин и его производные
25. Гемоглобин и его производные
Биологическая роль пиридинавходит в состав:
1. витамина РР никотиновой кислоты и
никотинамида
O
O
C
C
OH
NH 2
N
Никотиновая
кислота
N
Никотинамид
2. кофермента
НАД +
3. пиридоксальфосфата,
участвующего в
биологических реакциях аминокислот
Имидазол
Пиридиновый
(основные свойства)
N
NH +
+ HCl
Cl
N
N
H
H
Пиррольный
(кислотнные св-ва)
+K
N
- H2
N
K
Важнейшие природные производные
пиримидина – нуклеиновые основания
NH 2
OH
N
N
HO
OH
N
Урацил
HO
CH3
N
N
Цитозин
HO
N
Тимин
Таутомерия гетероциклических соединений
( ПРОТОТРОПНАЯ )
кето-енольная
OH
O:
C C
C C
H
H
H
амино-иминная
C
C
NH2
H
C
H
C
NH
37. Нуклеиновые кислоты
38. Нуклеиновые кислоты
1868. Ф.Мишер выделил НК
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)
–это биополимеры
ДНК - самая длинная молекула в
нашем организме
39. Биологическая роль НК содержатся в каждой клетке
ДНК- в ядре
синтез белка
передача
наследственных
признаков
РНК - в рибосомах
протоплазмы
• синтез белка
Нуклеотид образован остатками
трех веществ
1. Углеводом - пентозой
2. Азотсодержащим гетероциклом
(азотистые основания)
3.Фосфорной кислотой
Состав нуклеотидов
рибонуклеотиды
РНК
дезоксирибонуклеотиды
ДНК
Рибоза
углевод
(ß-Д-рибофураноза)
Пуриновые
А, Г
Пиримидиновые
У, Ц
к
Н3РО4
Дезоксирибоза
2-дезокси- ß-Д- рибо
фураноза)
азотистые
основания
остаток фосфорной
кислоты
Пуриновые
А, Г
Пиримидиновые
Т, Ц
Н3РО4
NH 2
N
N
N
N
HOCH2
O
-Н2О
Аденозин, А
1'
OH
N-гликозидная
связь
OH
В пентозе атомы углерода нумеруются
со штрихом:
1'
Номенклатура нуклеозидов
Пуриновые
Пиримидиновые
Название гетероцикла
Название гетероцикла
+ озин
+ идин
Аденозин (А)
Уридин (U)
Дезоксигуанозин (dG)
Дезоксицитидин (dC)
51. Образование нуклеотидов
NH 2
Аденозин – 5/-фосфат (рА)
(как фосфат нуклеозида)
N
N
O
5
N
HO P OCH2
O
HO 4
1
3
OH
2
OH
5, адениловая кислота (рА)
(как кислота)
N
О
НО-Р-ОН +
ОН
NH 2
NH 2
N
N
N
5
N
HO P OCH2
N
O
HO 4
N
N
N
O
1
3
2
HOCH2
O
OH
OH
-Н2О
OH
OH
1. Аденозин – 5/-фосфат (рА)
(как фосфат)
2. 5, --адениловая кислота (рА)
(как кислота)
Вторичная структура ДНК
Двойная спираль
(Уотсон, Крик, 1953)
Принцип комплементарности
NH
O C
NH
5/→ 3/
3/ → 5/
А
Т
Г
Ц
N
Правило Чаргаффа
1. Количество пуриновых оснований соответствует
числу пиримидиновых
2. Количество А = Т,
3. А + Ц = Г + Т
Г=Ц
Нуклеозидполифосфаты
моно (АМФ – аденозин-5/-фосфат, аденозинмонофосфат)
ди- (АДФ – аденозин-5/-дифосфат)
три- (АТФ- аденозин-5/-трифосфат)
Гидролиз НК
Нуклеопротеиды
+ H2O H+
Нуклеиновая кислота
Белок
+ H2O H+
Нуклеотид
+ H2O H+
Нуклеозид
H3PO4
+ H2O H+
Азотистое основание:
1) Пуриновые
2) Пиримидиновые
Моносахарид (пентоза)
Рибоза
Дезоксирибоза
Цикл пиррола имеет ароматический характер, так как 4 неспаренных электрона атомов углерода и неподеленная пара электронов атома азота образуют единую шестиэлектронную π-систему. (В отличие от бензола, в структурных формулах гетероциклических соединений единая π-система обычно не показывается.) Участие неподеленной пары электронов атома азота в образовании ароматической связи объясняет, почему пиррол практически не проявляет основных свойств (в отличие от аминов) Напротив, пиррол обладает
I. Кислотные свойства: взаимодействие с активными металлами
II. Ароматические свойства:
а) реакции замещения (как правило, в α-положении)
б) реакции присоединения (гидрирование)
Пирролидин является циклическим вторичным амином, проявляет сильноосновные свойства. Цикл пирролидина входит в состав гетероциклических аминокислот -
пролина и гидроксипролина
1. Получение из фурана и тиофена
2. Получение из ацетилена
Пиррол - бесцветная жидкость с запахом хлороформа, Ткип131°С, практически нерастворим в воде, растворяется в спирте и ацетоне
Циклы замещенных производных пиррола входят в состав хлорофилла и гема. В молекуле хлорофилла четыре замещенных пиррольных кольца связаны с атомом магния, а в геме - с атомом железа
Пиридин
Цикл пиридина (как и цикл пиррола) имеет ароматический характер и очень похож на цикл бензола. Ароматическая шестиэлектронная π-связь образована неспаренными электронами пяти атомов углерода и атома азота. В отличие от пиррола, неподеленная пара электронов атома азота в пиридине не участвует в образовании π-системы, поэтому может участвовать в образовании донорно-акцепторной связи с НФ. Следовательно, пиридин проявляет
а) взаимодействие с водой
(Водный раствор пиридина окрашивает лакмус в синий цвет)
б) взаимодействие с кислотами
а) реакции замещения (как правило, в β-положении, поскольку атом азота ведет себя как заместитель II рода)
б) реакции присоединения (гидрирование):
1. Выделение из каменноугольной смолы (содержит около 0,08 % пиридина).
2. Синтез из ацетилена и циановодорода
Пиридин - бесцветная жидкость со специфическим запахом, Ткип 115°С, неограниченно смешивается с водой, весьма ядовит.
Гомолог пиридина - 3-метилпиридин (β-пиколин) - при окислении образует никотиновую кислоту:
Никотиновая кислота и её амид - никотинамид представляют собой две формы витамина РР, который применяется для лечения пеллагры (кожное заболевание).
Имидазол
Из приведенной формулы видно, что:
а) имидазол (подобно пирролу и пиридину) является
б) имидазол обладает амфотерными свойствами, так как N(1) обусловливает кислотные свойства, а N(3) -
Имидазол - бесцветное твердое вещество, Тпл 90°С, хорошо растворяется в воде и спирте.
Ядро имидазола входит в состав одной из природных аминокислот -
При декарбоксилировании (-CO2) гистидина образуется
Гистамин содержится в связанной форме в различных органах и тканях человека и животных, освобождается при аллергических реакциях, шоке, ожоге.
Пиримидин
Пурин
Молекула пурина представляет собой систему из пиримидинового и имидазольного циклов, имеющих два общих углеродных атома:
Сущность, значение и функциональное строение порфинов. Металлы-комплексообразователи во всех здоровых человеческих тканях. Общий путь образования тетрапиррольных предшественников. Биосинтез гемоглобина и хлорофилла, строение и механизмы функционирования.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.10.2010 |
| Размер файла | 18,1 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной медицины
Реферат на тему:
Комплексные соединения, их биологическая роль.
Порфириновые комплексы Fe и Mg
Содержание
Обзор комплексов. Функциональное строение порфиринов
Гемоглобин - строение, механизмы работы
Общий путь образования тетрапиррольных предшественников (синтез основы)
Синтез гемоглобина и хлорофилла
4.1 Биосинтез протогема
4.2 Биосинтез хлорофиллов
Заключение
Список использованной литературы
Введение
1. Обзор комплексов. Значение порфиринов
Для живых организмов(животных, растений, бактерий) очень важны комплексные соединения металлов, в которых четыре координационных места занимает одна и та же частица, называемая порфином, содержащая четыре пирролоподобных цикла, соединенных =СН-группами:
Производными порфина являются порфирины. В порфиринах, в отличие от порфина, имеются боковые цепи вместо некоторых из 8 периферических пиррольных атомов водорода. Расположение и вид заместителей определяют название и специфические функции, соответствующего производного. В нормальном обмене веществ человека участвует т.н. Изомер III. Изомер I в значительных количествах появляется при довольно редком дефекте метаболизма. Остальные изомеры у человека не встречаются.
В составе гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы и пероксидазы порфирины выступают в виде комплексов с ионами железа - гемов. Хлорофиллы и бактериохлорофиллы содержат магний. Витамин В12 и родственные ему кобаламины, как следует из названия, имеют в качестве центрального иона кобальт.
В организмах встречаются комплексы, в которых некоторые атомы водорода в порфине замещены на метильные и винильные остатки пропионовой кислоты (протопорфирины). Известны 15 возможных изомерных структур. Однако основной каркас этой сложной молекулы сохраняется во многих сложных веществах: гемоглобине, цитохромах, витамине В12. Ион металла замещает атомы водорода двух пиррольных колец. Связи металла с четырьмя атомами азота двух других пиррольных колец, которые лежат в одной плоскости, благодаря эффекту резонанса рассматриваются как одинаковые.
Важнейшим свойством порфиринов является наличие в молекуле координационной полости, ограниченной атомами азота, N4, имеющей радиус около 2Е и способной координировать ионы металлов М2+, М3+, М4+ и даже с большей степенью окисления. В результате комплексообразования образуются комплексные соединения порфиринов, т.н. металлопорфирины, обладающие многообразными структурными и химическими особенностями, высокой биологической и каталитической активностью. При этом металл либо занимает центр полости N4 и оказывается в экваториальной плоскости xy, образуя плоский координационный узел из атомов MN4, либо оказывается приподнятой над плоскостью, в которой лежат атомы N4 и образует координационные узлы различной геометрической структуры - от терагоналной пирамиды L(MN)4 и октаэдра (L1)(L2)MN4 (рис. 3) до более сложных геометрических фигур.
Выход центрального атома из плоскости происходит, как правило, при донорно-акцепторном взаимодействии с молекулой L. Если металл М способен присоединить вторую молекулу L той же природы с противоположной стороны плоскости xy, то он возвращается в центр плоскости N4. Лиганды (L1), способные вступать в координационную сферу металла, уже занятую четырьмя атомами азота порфирина, называются аксиальными.
Возможности молекул металлопорфиринов выступать в биологических процессах в качестве биокатализаторов (ферментов) значительно расширяется в связи с специфическим строением порфиринов и их комплексов, необычайным своеобразием их свойств и чрезвычайно большим структурным многообразием. Структурное многообразие связано с многочисленными путями химической модификации молекул порфина за счет замещения атомов водорода.
Известно большое число биологических систем, в структуре которых металлопорфирины выполняют функции инициатора того или иного биологического процесса. Например, гем в составе гемопротеидов участвует в транспорте кислорода (гемоглобин), клеточном дыхании (цитохромы), утилизации пероксидов (каталаза). Наибольшее число исследований посвящено гемоглобину, гему крови, и процессам обратимой фиксации атмосферного кислорода на биологических и модельных системах.
Рассмотрим функциональные особенности и механизмы работы гемоглобина, как наиболее хорошо изученные.
2. Гемоглобин - строение, механизмы работы
Потребление атмосферного кислорода живыми организмами - важнейший биохимический процесс. Кислород транспортируется гемоглобином эритроцитов от легких к мышцам и удерживается в мышцах миоглобином. Гемоглобин и миоглобин представляют собой комплексы железа, в которых группа ферропротопорфирина (гема) содержит Fe (III)
Пятое координационное число занимает азот имидазола (Im) гистидинового остатка, через который осуществляется единственная связь группы гема с полипептидной цепью белка. В настоящее время известны аминокислотный состав и последовательность аминокислот в гемоглобинах, выделенных из разных животных, места присоединения частиц гема, пространственная структура гемоглобина (работы Перутца и др.). Гем локализован в расщелине между спиралями белка. Одна молекула гемоглобина, состоящая из четырех белковых субъединиц (глобулл), содержит четыре гема и, следовательно, четыре атома железа. Поскольку кислород в гемоглобине непосредственно фиксируется железом, то такая молекула может, постепенно насыщаясь, присоединить четыре молекулы кислорода. В молекуле миоглобина полипептидная цепь координирована железом гем-группы так же как в гемоглобине. Однако, в отличие от гемоглобина молекула миоглобина состоит из одной белковой субъединицы и содержит одну гемовую единицу. Структуры окси- и дезокси-форм различны, и это различие не исчерпывается тем, что одна из них содержит молекулы кислорода, а другая - нет.
При отсутствии кислорода атом Fe (II) в гемоглобине имеет координационное число 5, связан донорно-акцепторными связями с четырьмя координирующими атомами азота протопорфирина и одной менее прочной связью с третичным атомом азота проксимального имидазольного фрагмента гистидина (рис. 5). Координационный узел Fe (N4) N Im представляет собой квадратную пирамиду с атомом железа, удаленным от основания пирамиды на 0.8 Е. Шестое координационное место не в состоянии занять ни один из имеющихся поблизости лигандов (в том числе и Н2О), кроме молекулярного кислорода. Молекула О2 вызывает оксигенирование гемоглобина, а точнее иона Fe (II). При этом комплекс Fe (N4) N Im из высокоспинового пирамидального состояния в низкосипновое октаэдрическое искаженное состояние с координационным узлом Fe (N4) N Im (О2).
Под влиянием кристаллического поля N-донорных атомов порфирина, а также аксиальных лигандов (Im и О2 ) t42ge2g -конфигурация Fe (II) превращается в t62ge0g. На вакантные eg -орбитали переходят сигма-электроные пары имидазола и кислорода. Считают, что молекула О2 связывается в шестом координационном месте с Fe (II) также за счет дативной р-связи. Координированный ион железа поставляет пару электронов, находящуюся на его dyz (или dxz)-орбитали, на вакантную (разрыхляющую) pz-орбиталь молекулы О2. Образованию р-связи Fe (II) > О2 благоприятствует высокая электроннодонорная способность р-системы и проксимального имидазола. Атом железа после оксигенации входит в координационную плоскость N4 и располагается ценртосимметрично. Структура белка в гемоглобине такова, что он экранирует подход к атому Fe (II) всех других молекул, имеющихся в крови, и своевременно регулирует его донорно-акцепторные свойства. Исключение составляют токсиканты - яды крови, к которым относятся монооксид углерода, оксиды азота, метиленовый синий. Проникая с атмосферным воздухом в легкие, монооксид углерода быстро преодолевает капиллярно- альвеолярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окси-, так и с дезоксигемоглобином:
HbО2 + CO = HbCO + О2
Hb + CO = HbCO, где Hb - гемоглобин.
Образующийся комплекс карбоксигемоглобин (HbCO) не способен присоединять к себе кислород. В молекуле гемоглобина СО координируется атомом железа , вытесняя О2. Одна молекула гемоглобина (точнее, четыре её гема) может присоединить до четырех молекул СО.
Важным производным гемоглобина является метгемоглобин, в молекуле которого атом железа находится в степени окисления +3. Метгемоглобин не связывает молекулярный кислород. Он образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, метиленового синего, хлоратов). Образование метгемоглобина в крови уменьшает количество в ней функционально важного оксигемоглобина и нарушает доставку кислорода к тканям. Комплексы железа с порфиринами участвуют не только в транспорте кислорода, но и выполняют множество других функций. Среди них процесс переноса электронов.
3. Общий путь образования тетрапиррольных предшественников
Начало исследований принято относить к 1945 году, когда молодой американский ученый Шемин поставил эксперимент на собственном организме, приняв порцию простейшей аминокислоты глицина, которая отличалась от обычной аминокислоты заменой изотопа 14N на 15N. Через некоторое время он выделил из крови гемоглобин затем гемин, содержащий повышенное количество изотопа 15N. Позднее было показано, что глицин конденсируется с сукцинил-коэнзимом А, давая д-аминолевулиновую кислоту (д-АЛК). Этот процесс катализируется ферментом АЛК-синтетазой, его обязательным участником является фосфорилированная форма витамина В6 - пиридоксальфосфат. Последующими исследованиями было доказано, что д-АЛК выступает в качестве общего предшественника в биосинтезе всех природных тетрапиррольных пигментов. Описанное образование д-АЛК характерно для животных и ферросинтетических бактерий. В растениях и у некоторых прокариотов д-АЛК синтезируется из глютаминовой кислоты.
Наличие простетичсекой группы в дезаминазе, построенной из молекул, подобных субстрату, - явление необычное для ферментов. Известно только, что, действуя на дезаминазу сильными кислотами, удается отщепить депирролилметан. Полученный апофермент уже не обладает каталитической активностью. Лишь после присоединения двух первых молей ПБГ при определенном pH дезаминаза снова становится способной к обратимому присоединению четырех молекул ПБГ. Синтезированный оксибилан под действием второго фермента косинтетазы превращается в Уро'ген III. Для этой циклизации, сопровождающейся обращением пиррольного кольца D, за долгие годы изучения этой реакции предложено свыше двух десятков механизмов. В настоящее время наиболее обоснованным представляется поворот кольца D за счет образования спиро-структуры (на схеме).
После образования Уро'гена III происходит первое разветвление путей биосинтеза тетрапиррольных пигментов. Декарбоксилирование Уро'гена III ведет к порфиринам и хлорофиллам, а С-метилирование - через прекоррин-1 - к витамину В12 и другим кобаламинам.
4. Синтез гемоглобина и хлорофилла
Рассмотрим путь, ведущий к главному порфирину в живом организме - протопорфирину IX и его железосодержащему комплексу - протогему. Превращение Уро'гена III под влиянием соответствующего фермента включает последовательное декарбоксилирование остатков уксусной кислоты до метильной группы с образованием копропорфириногена III (Копро'ген III). Декарбоксилирование начинается с кольца D и далее продолжается по часовой стрелке через кольца А,В и С. Имеются также данные, что в определенных условиях возможен и иной порядок декарбоксилирования.
Копро'ген III под действием копропорфириногеноксидазы подвергается окислительному декарбоксилированию. В результате два остатка пропионовой кислоты в положениях 3 и 8 превращаются в винильные группы и образуется протопорфирин IX(Прото IX). На этом участке происходит дальнейшее разветвление путей биосинтеза. Введение ионов двухвалентного железа (фермент феррохелатаза) приводит к образованию протогема, который является простетической группой в многочисленных природных белках - гемопротеидах.
4.2 Биосинтез хлорофиллов
Включение в Прото IX магния начинает новую цепь биосинтетических превращений, ведущую к хлорофиллу а, бактериохлорофиллу и другим зеленым пигментам, общее количество которых на сегодня превышает 50 типов. Ниже приведена схема, основных превращений магниевого комплекса Прото IX в хлорофилл а (Хл а).
Существенным отличием этой ветви биосинтеза от ранее рассмотренной является то, что при биосинтезе Прото IX большая часть промежуточных соединений находится в растворах, перемещаясь от одного фермента к другому, причем сами ферменты также по большей части растворены в цитоплазме клетки. Биосинтез хлорофиллов, напротив, протекает только в хлоропластах, все ферменты закреплены в мембранах и часто образуют сложные ассоциаты. Это значительно затрудняет изучение отдельных стадий, механизмов превращений промежуточных соединений, и, в связи с этим, общая картина биосинтеза Хл а остаётся менее ясной.В целом же о биосинтезе известно следующее. После введения иона магния происходит этерификация остатка пропионовой кислоты в положении 13. Далее этот остаток окисляется через несколько промежуточных стадий, давая после замыкания кольцо Е(12). Затем происходит восстановление винильной группы до этильной в положении 8 с образованием 3-винилпротохлорофилла(13). Следующая важная стадия включает в себя восстановление двойной связи в кольце D. Исключительно важную роль играет при этом освещение растений. Показано, что в отсутствии света у высших растений накапливается протохлорофиллид. Даже короткая световая экспозиция приводит к превращению протохлорофиллида в хлорофиллид(14). В то же время, низшие растения и водоросли могут синтезировать хлорофиллид и при отсутствии света. На заключительном этапе происходит этерификация хлорофиллида природным спиртом фитолом при участии особого фермента хлорофиллсинтетазы. В результате образуется хлорофилл а (15). Пути биосинтеза других хлорофиллов, а также бактериохлорофиллов изучены пока недостаточно. Известно, однако, что все эти пигменты образуются через Хл а. В случае хлорофилла b происходит окисление метильной группы в положении 7 до формильной (16). Образование самого распространенного среди бактериохлорофиллов а -изомера (17) включает превращение винильной группы в ацетильную, гидрирование второго пиррольного остатка В и этерификацию остатка пропионовой кислоты фитолом.
Металлопорфирины являются макроциклическими комплексами, и это накладывает отпечаток на их строение и свойства. Однако, они отличаются от бесчисленного множества других групп макроциклических комплексов тем, что являются ароматическими макроциклами с уникальной сопряженной р-системой. Ароматичность порфиринов определяет их электроннодонорные свойства, то есть способность к снижению локальных положительных и отрицательных зарядов путем их распределения по ароматическим орбиталям. Вследствие этого стабилизируются катион- и анион-радикальные формы, а также различные степени окисления металлов, возникающие в процессе функционирования биологически активных соединений на основе металлопорфиринов.
Изложенные здесь пути биосинтеза протогема и хлорофилла а показывают, насколько близко переплетаются фундаментальные процессы жизнедеятельности в бактериях, высших растениях и животном мире. При значительных различиях объектов исследования в рассмотренных схемах используются близкие или общие методы построения промежуточных соединений.
Список использованной литературы
Подобные документы
Описание процесса диссоциации солей. Комплексные соединения и положения координационной теории Вернера и Чугаева. Характеристики лигандов: дентантность, внутренняя и внешняя сфера, координационное число. Пространственное строение комплексного иона.
презентация [152,7 K], добавлен 19.03.2014
Общая характеристика фенольных соединений, их природа и свойства. Главные классы растительных фенолов и сырье, их содержащее. Биосинтез ароматических аминокислот и разных классов полифенолов из фенилаланина. Поликетидный путь образования антрахинонов.
реферат [559,3 K], добавлен 23.08.2013
Характеристика гетероциклических соединений, их биологическое значение, распространение в природе, участие в построении аминокислот и классификация. Строение гемма крови и хлорофилла. Структура фурана, фурфурола, имидазола, тиазола, пирана, пиридина.
реферат [41,5 K], добавлен 22.06.2010
Понятие комплексной частицы и комплексообразователя. Унидентатные и монодентатные лиганды. Электронное строение центрального атома и координационное число. Внутренняя и внешняя сфера комплексного соединения. Классификация комплексных соединений.
презентация [379,7 K], добавлен 11.10.2015
Определение комплексных соединений и их общая характеристика. Природа химической связи в комплексном ионе. Пространственное строение и изомерия, классификация соединений. Номенклатура комплексных молекул, диссоциация в растворах, реакции соединения.
реферат [424,7 K], добавлен 12.03.2013
Основные положения координационной теории. Комплексообразователи: положительные ионы неметаллов, ионы металлов, нейтральные атомы. Номенклатура комплексных соединений и порядок перечисления ионов и лигандов. Понятие константы нестойкости комплекса.
реферат [142,9 K], добавлен 08.08.2015
Биологическая роль цереброзиидов - природных органических соединений из группы сложных липидов (сфинголипиды), впервые обнаруженых в составе мозга. Галактоцереброзид - один из простейших гликолипидов. Глюкоцереброзид. Место локализации цереброзидов.
Гетероциклическими называют соединения, молекулы
которых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько
гетероатомов. Гетероциклы – самый многочисленный класс органических соединений,
включающий около 2/3 всех известных природных и синтетических органических
веществ. К гетероциклам относятся многие алкалоиды, витамины, природные
пигменты. Они являются структурными фрагментами молекул нуклеиновых кислот и
белков. Более 60% наиболее известных и широко употребляемых лекарственных
препаратов являются гетероциклическими соединениями.
1. Классификация
Гетероциклы классифицируют по следующим основным признакам:
- по природе и числу гетероатомов;
- по размеру цикла;
- по степени ненасыщенности.
Наибольшее распространение в
природе имеют пяти- и шестичленные гетероциклы, содержащие в качестве
гетероатомов азот, а также кислород и серу.
По степени ненасыщенности различают насыщенные, ненасыщенные и ароматические
гетероциклы. Гетероциклы неароматического характера по своим свойствам сходны с
соответствующими ациклическими соединениями (аминами, амидами, простыми и
сложными эфирами и т.д.). 5- и 6-членные гетероциклы, замкнутая сопряженная
система которых включает (4n + 2) электрона, обладают ароматическим характером
(см. лек. №2). Такие соединения по свойствам родственны бензолу и относятся к
ароматическим гетероциклическим соединениям. Для них, как и для бензоидных
систем, наиболее характерны реакции замещения. При этом гетероатом выполняет
роль “внутренней” функции, определяющей скорость и направление реакций
замещения.
Именно ароматические гетероциклические соединения широко распространены в
природе. Далее будут рассмотрены азотсодержащие ароматические гетероциклы.
2. Пятичленные азотсодержащие гетероциклы с одним
гетероатомом
Пиррол
Пиррол – 5-членный ароматический гетероцикл с одним атомом азота.
Ароматическая система пиррола включает 6 p -электронов:
четыре p -электрона от двойных связей и два – от гетероатома.
Атом азота с неподеленной парой электронов
действует как донор, повышая электронную плотность на атомах углерода цикла.
Поэтому пиррол относят к p -избыточным гетероциклам.
Химические свойства
Химические свойства пиррола определяются наличием ароматической системы и
полярной связи N-H.
Кислотно-основные свойства
Неподеленная пара электронов азота является частью ароматического секстета
электронов, поэтому пиррол практически лишен основных свойств (). Сила пиррола как основания не может
быть точно определена, так как он является ацидофобным соединением и
полимеризуется под действием кислот.
В то же время, наличие полярной связи N-H
обуславливает слабые кислотные свойства пиррола (pK a=16,5).
Реакции электрофильного
замещения
Пиррол, как p -избыточный гетероцикл, легко вступает в реакции электрофильного замещения.
Активность пиррола по отношению к электрофилам выше, чем у бензола, и близка к
активности анилина и фенола. Электрофильное замещение направляется
преимущественно в положение 2. Из-за ацидофобности пиррола
S E -реакции проводятся в
отсутствии кислот.
Биологически активные производные
пиррола.
Тетрапиррольные соединения содержат ароматический макроцикл порфин, включающий четыре пиррольных кольца.
Замещенные порфины называют порфиринами. В виде комплексов с
металлами порфирины и частично гидрированные порфирины входят в состав важных
природных соединений – гема (простетической группы гемоглобина –
содержащегося в эритроцитах основного белка дыхательного цикла, переносчика
кислорода от органов дыхания к тканям), зеленого пигмента растений хлорофилла, витамина В12.
Индол
Индол – ароматическое гетероциклическое соединение, содержащее
конденсированные бензольный и пиррольный циклы.
Химические свойства
Химические свойства индола аналогичны свойствам пиррола. Он практически не
обладает основными свойствами, ацидофобен, является слабой NH-кислотой.
Активно вступает в реакции электрофильного замещения, при этом заместитель
вступает в положение 3 пиррольного кольца.
Биологически активные производные
индола.
Триптофан – незаменимая (не
синтезируется в организме человека) аминокислота, входящая в состав животных и
растительных белков.
Серотонин – биогенный амин,
продукт метаболизма триптофана. Обладает высокой биологической активностью,
является нейромедиатором головного мозга.
Триптамин – токсичный биогенный
амин, продукт декарбоксилирования триптофана.
Индольные алкалоиды. Алкалоиды –
гетероциклические азотсодержащие основания растительного происхождения,
обладающие ярко выраженным физиологическим действием. Индольное кольцо входит
в состав многих алкалоидов – резерпина (содержится в растениях рода
раувольфия; используется как успокаивающее и понижающее кровяное давление
средство), стрихнина (содержится в семенах растения чилибухи; используется как
тонизирующее средство), лизергиновой кислоты (алкалоид спорыньи; диэтиламид
лизергиновой кислоты — ЛСД — сильное галлюциногенное средство).
3. Шестичленные азотсодержащие гетероциклы с одним
гетероатомами.
Пиридин
Пиридин – 6-членный ароматический гетероцикл с одним атомом азота.
Ароматическая система пиридина включает 6 p -электронов и
подобна ароматической системе бензола: каждый атом цикла подает в ароматический
секстет один р-электрон. Неподеленная пара электронов азота в силу своей
пространственной ориентации в сопряжении не участвует
Атом азота действует как акцептор, понижая
электронную плотность на атомах углерода цикла. Поэтому пиридин относят к p -дефицитным гетероциклам.
Химические свойства
Химические свойства пиридина определяются наличием ароматической системы и
основного атома азота.
Основные и нуклеофильные свойства.
Пиридин проявляет слабые основные свойства (=5,23) за счет неподеленной пары электронов
азота и с кислотами образует соли пиридиния.
Атом азота пиридина проявляет также
нуклеофильные свойства и алкилируется алкилгалогенидами с образованием солей
алкилпиридиния.
Соли алкилпиридиния легко взаимодействуют с
нуклеофильными реагентами, в том числе с комплексными гидридами металлов
(NaBH 4 ), с образованием продуктов
присоединения. Подобные процессы лежат в основе механизма действия кофермента
НАД + (см. лек. № 19).
Реакции электрофильного замещения
Реакции электрофильного замещения для пиридина
идут с большим трудом, что обусловлено p -дефицитностью ядра и способностью атома азота
образовывать соли с протонными кислотами и комплексы с кислотами Льюиса, что еще
больше уменьшает нуклеофильность ядра. По способности к электрофильному
замещению пиридин напоминает нитробензол. Атака электрофилами идет по положению
3.
Реакции нуклеофильного замещения
Наиболее характерными для пиридина являются реакции нуклеофильного замещения,
которые идут по положениям 2 и 4. Примерами таких реакций является
взаимодействие пиридина с амидом натрия (реакция Чичибабаина) и со щелочами.
Окисление и восстановление
Цикл пиридина устойчив к действию окислителей. Алкилпиридины окисляются с
образованием пиридинкарбоновых кислот.
Пиридин гидрируется в жестких условиях с
образованием насыщенного гетероцикла – пиперидина.
Соли алкилпиридиния легко восстанавливаются
комплесными гидридами металлов (см. выше).
Биологически активные производные
пиридина.
Никотиновая кислота (см. выше) и
ее амид — никотинамид — две формы витамина РР. Никотинамид является
составной частью ферментативных систем, ответственных за
окислительно-восстановительные процессы в организме. Диэтиламид никотиновой
кислоты – кордиамин – эффективный стимулятор центральной нервной
системы.
Пиридоксин и пиридоксаль – различные
формы витамина В 6 ,
предшественники кофермента пиридоксальфосфата, участвующего в процессах
синтеза аминокислот из кетокислот путем трансаминирования (см. лек. №16).
Никотинамиадениндинуклеотид – кофермент, участвующий в процессах окисления и восстановления, связанных с
переносом гидрид-аниона (см. лек. №19).
Пиридиновые алкалоиды. Ядро пиридина и пиперидина входит в состав
многих алкалоидов – никотина и анабазина (алкалоиды, содержащиеся в листьях
табака; чрезвычайно токсичны, используются как инсектициды), атропина
(содержится в растениях семейства пасленовых; высокотоксичен; применяется в
медицине как средство, вызывающие расширение зрачка), кокаина (содержится в
листьях коки; стимулирует и возбуждает нервную систему, известен как одно из
первых местноанестезирующих и наркотических средств).
Хинолин и
изохинолин
Хинолин и изохинолин – ароматические гетероциклические соединения, содержащие
конденсированные бензольный и пиридиниевый циклы.
Химические свойства
Химические свойства хинолина и изохинолина аналогичны свойствам пиридина. Они
обладают основными и нуклеофильными свойствами и образуют соли при
протонировании сильными кислотами и при алкилировании алкилгалогенидами. Реакции
электрофильного замещения протекают по наименее электронодефицитному бензольному
кольцу и направляются в хинолине в положения 6 и 8. Нуклеофильные реагенты
атакуют пиридиниевый цикл хинолина в положение 2.
При каталитическом гидрировании хинолина в
первую очередь затрагивается пиридиниевый цикл. При окислении разрушается
бензольный цикл и образуется 2,3- пиридиндикарбоновая кислота.
Биологически активные производные хинолина
и изохинолина.
Действие этих препаратов основано на образование
прочных хелатных комплексов с ионами металлов. Таким образом происходит
связывание микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности бактерий.
Хинин — алкалоид коры хинного
дерева, эффективное противомалярийное средство.
Алкалоиды опия: морфин — сильнейшее болеутоляющее средство,
наркотик; папаверин — спазмолитическе и сосудорасширяющее средство.
4. Пяти- и шестичленные гетероциклы с
двумя атомами азота.
Имидазол.
Пиразол.
Имидазол и пиразол – 5-членные ароматические гетероциклы, содержащие два
атома азота.
Ароматические системы имидазола и пиразола
включают по 6 p -электронов. При этом один из атомов азота цикла подает в ароматическую
систему один р-электрон (пиридиниевый атом азота), другой атом азота –
неподеленную пару электронов (пиррольный атом азота).
Имидазол и пиразол содержат в молекуле
кислотный центр (связь N-H) и основный центр (пиридиниевый атом азота) и
являются амфотерными соединениями. При этом основные свойства преобладают над
кислотными.
В результате присутствия в молекуле
одновременно кислотного и основного центров имидазол и пиразол ассоциированы
за счет образования межмолекулярных водородных связей.
Следствием такой ассоциации являются высокие
температуры кипения и быстрый водородный межмолекулярный обмен между
пиррольным и пиридиниевым атомами азота, который в случае замещенных
гетероциклов приводит к существованию таутомеров.
Таутомерные формы быстро превращаются друг в
друга и не могут быть выделены в индивидуальном состоянии.
Особый вид таутомерии характерен для
5-гидроксипиразолов (пиразолонов-5). В растворе они существуют в виде
равновесной смеси гидроки-(I) и оксо-(II,III) таутомерных форм.
В кристаллическом состоянии наиболее устойчива
форма II.
Биологически активные производные
имидазола и пиразола.
Гистидин — a -аминокислота, входящая в
состав многих белков, в том числе гемоглобина; в составе ферментов
осуществляет кислотный и основной катализ за счет амфотерных свойств
имидазольного цикла.
Гистамин – биогенный амин,
продукт декарбоксилирования гистидина; обеспечивает аллергические реакции
организма.
Производные пиразолона-5 — антипирин,
амидопирин, анальгин – ненаркотические анальгетики, жаропонижающие и
противовоспалительные средства.
Пиримидин
Пиримидин – 6-членный ароматический гетероцикл с двумя атомами азота.
Ароматическая система пиримидина включает 6 p -электронов и
подобна ароматической системе пиридина: каждый атом цикла, в том числе и оба
атома азота, подают в ароматический секстет один р-электрон.
Химические свойства пиримидина подобны
свойствам пиридина. Пиримидин является более слабым основанием, чем пиридин,
за счет электроноакцепторного влияния второго атома азота (=1,3). Снижение, по сравнению с
пиридином, электронной плотности на атомах углерода кольца приводит к
инертности пиримидина по отношению к электрофильным реагентам и окислителям.
Реакции нуклеофильного замещении и восстановления в ядре пиримидина, напротив,
протекают легче, чем в пиридине.
Биологически активные производные
пиримидина.
Важную биологическую роль играют гидрокси- и
аминопроизводные пиримидина.
Урацил, тимин и цитозин – нуклеиновые основания; входят в состав нуклеозидов, нуклеотидов,
нуклеиновых кислот. Существуют в таутомерных оксо- и гидроксиформах, переходы
между которыми осуществляются за счет миграции протона между кислородом и
азотом кольца.
Наиболее стабильными являются оксо-форма для
цитозина и диоксо-формы для урацила и тимина.
Оксо-формы нуклеиновых оснований образуют
прочные межмолекулярные водородные связи.
Ассоциация такого типа играет важную роль в
формировании структуры ДНК.
Барбитуровая кислота и ее производные – барбитураты (веронал, люминал) – снотворные и противосудорожные
средства.
Тиамин (витамин
В1 ) содержит два гетероцикла –
пиримидин и тиазол.
Тиамин является предшественником кофермента
кокарбоксилазы, принимающего участие в декарбоксилировании a -кетокислот и синтезе
кофермента А.
Пурин
Пурин – ароматическое гетероциклическое соединение,
содержащее конденсированные пиримидиновый и имидазольный циклы.
Пурин, подобно имидазолу, существует в виде двух
таутомерных форм. Более стабильной является форма с атомом водорода в положении
7 .
Пурин является амфотерным соединением и образует
соли с сильными кислотами (по атому азота имидазольного цикла) и щелочными
металлами (по NH-группе). При действии алкилирующих реагентов (метилиодид,
диметилсульфат) дает 9-N-алкилпроизводные. Реакции замещения у атомов углерода
ароматического кольца характерны только для замещенных пуринов.
Биологически активные производные
пурина.
Важную биологическую роль играют гидрокси- и
аминопроизводные пурина.
Аденин и гуанин — нуклеиновые основания;
входят в состав нуклеозидов, нуклеотидов, в том числе нуклеотидных коферментов,
нуклеиновых кислот.
Для аденина известны две таутомерные формы,
являющиеся результатом миграции протона между атомами азота имидазольного цикла.
У гуанина, кроме того, существуют таутомерные гидрокси- и оксоформы.
Стабильными таутомерными формами гуанина
являются оксо-формы.
Гидроксипурины – гипоксантин, ксантин,
мочевая кислота – продукты метаболизма пуриновых оснований.
Для них, как и для гуанина, характерны
таутомерные превращения между гидрокси- и оксо-формами. Наиболее стабильными
являются оксо-формы.
Мочевая кислота – конечный продукт метаболизма
пуриновых соединений в организме. Она выделяется с мочой. Соли мочевой кислоты – ураты – откладываются в суставах при подагре, а также в виде почечных
камней.
In vitro аденин и гуанин могут быть превращены
соответственно в гипоксантин и ксантин дезаминированием под действием азотистой
кислоты.
Такие превращения пуриновых оснований в составе
нуклеиновых кислот приводят к мутациям.
Пуриновые алкалоиды – кофеин, теофиллин,
теобромин – метилированные по азоту производные ксантина; содержатся в чае,
кофе, какао-бобах.
Кофеин – эффективное средство, возбуждающее
центральную нервную систему и стимулирующее работу сердца. Теофиллин и теобромин
менее эффективны, однако обладают сильными мочегонными свойствами.
Читайте также: