Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 3

Main page / Генетика XXII века / ЛИПИДЫ. УГЛЕВОДЫ. БИОХИМИЯ. / Гликольальдегид. Глицеральдегид. Хиральность, хиральный центр. Глицеральдегид-3-фосфат. 1,3-Дифосфоглицериновая кислота. Дигидроксиацетон. Ацетон. Ароматические гетероциклы. Оксан (тетрагидропиран). Дигидропиран. Пиран (оксин). Инсектициды. Пирилий, катион пирилия и тиопирилия. Правило Хюккеля. Селенофен. Фуран. Тетрагидрофуран (ТГФ). Витамины Е. Токоферолы, токотриенолы. Метаболический путь витамина Е (кратко). Хромановое ядро. Липопротеины. Липопротеины очень низкой (ЛПОНП), низкой (ЛПНП) и высокой (ЛПВП) плотности. Рецепторно-опосредованный механизм поступления витамина Е в клетки. Липопротеинлипаза. Гидразин, гидразиний, гидразоний. Сульфат гидразиния. 1,1-Диметилгидразин (НДМГ). Аэрозин. Фенилгидразин.

Содержание

    Учитывая, что в молекуле сахара есть альдегидная или кетоновая (синоним – «кетонная») часть, а также несколько гидроксилов, мы можем определить сахара как альдегидные или кетоновые производные полиатомных (т.е. содержащих более одного гидроксила) спиртов, ну или как соединения, при гидролизе которых образуются эти производные.

    Пройдемся по самым простым сахарам.

    Чтобы у нас получился сахар, нужно, чтобы были выполнены два условия: в молекуле должен быть гидроксил, а также должна быть альдегидная группа или кетогруппа. Самый простой моносахарид, таким образом, — это гликольальдегид (если ты помнишь, как выглядит самая простая гидроксикислота — гликолевая, то запомнить его будет легко):

    Гликольальдегид – это двухуглеродный моносахарид, то есть он относится к диозам и является альдодиозой. Тут нет предпоследнего углерода, тут только первый и последний, так что кетодиоза существовать попросту не может, отсюда и МП: «коль ты самый простой гликоль, то пары для тебя нет». Гликольальдегид довольно часто встречается в разных метаболических путях в качестве промежуточного метаболита, и его производные являются предшественниками многих веществ. В том числе он является предшественником глицина. Находят его и в газопылевых облаках в космосе.

    Пойдем дальше и посмотрим на триозы. Тут уже есть предпоследний углерод, так что существует и альдотриоза, и кетотриоза. Альдотриозой у нас будет глицеральдегид, название которого легко будет запомнить, увидев глицериновое ядро. У него есть и сокращенное наименование — глицераль:

    Извилистая линия на формуле глицераля означает наличие двух энантиомеров (т.е. зеркально-симметричных изомеров): у одного центральный гидроксил направлен условно к нам (D-изомер), а у другого – от нас (L-изомер), поэтому второй углерод является хиральным центром. Хиральность – это свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением, так что хиральный центр определить просто: если совместить D-изомер с L-изомером, то в том месте, где возникнет несовпадение, и находится хиральный центр. Хиральных центров в молекуле в принципе может быть несколько, но в глицерали, понятно, он один. Можно посмотреть на шаро-стержневые модели обоих изомеров, мысленно наложить их друг на друга и увидеть, что куски, отходящие от среднего углерода, совпадать не будут, потому что направлены в разные стороны:

    Можно запомнить общее правило: в то время как в живой природе аминокислоты в основном имеют L-конфигурацию, сахара в основном представлены D-энантиомерами.

    С точки зрения биохимии, сам по себе глицеральдегид нас мало интересует, но вот в виде глицеральдегид-3-фосфата (глицераль-3-фосфата) он участвует во многих метаболических путях и циклах: в гликолизе, глюконеогенезе, фотосинтезе и т.д.:

    Здесь мы немного остановимся, поскольку в клетке глицераль-3-фосфат находится в динамическом равновесии с другой молекулой (т.е. они постоянно переходят друг в друга), которая получается из глицераль-3-фосфата, если еще один фосфат присоединится и к другому концу. Такое вещество называется вполне понятным образом: 1,3-Дифосфоглицериновая кислота:

    Теперь посмотрим – что из себя представляет единственно возможная кетотриоза:

    Ее формула очень проста и очевидна, а название — дигидроксиацетон — легко запомнится в паре с названием одного из простейших кетонов: «ацетон». МП: «ацетон получается, если к ацетильной группе добавить метил. С какой стороны ни оторви метил, получится ацетил, поэтому это симметричная молекула с ацетильным ядром: ацетон».

    С изучением сахаров и липидов возникает проблема: высокая степень схожести молекул влечет за собой увеличение вероятности того, что информация начнет путаться, так что в этом разделе мы будем стараться почаще отвлекаться на другие темы, подготавливая тем самым наиболее комфортный «вход» в последующие разделы: будем по-прежнему «добивать» биохимию, вводить понемногу гистологию и т.п.

    Давай еще раз пройдемся по ароматической теме и заглянем чуть поглубже: посмотрим, сможем ли мы создать какое-то правило образования гетероциклических ароматических соединений, т.е. таких, в структуре ароматических колец которых участвуют другие атомы, помимо углерода? В целом тема небензоидных ароматических соединений довольно велика и интересна, так что вот сделаем первый шаг в том направлении. В качестве исходной модельной молекулы возьмем, конечно, бензол:

    Углерод – шестой элемент в периодической системе, значит у него 6 протонов, и он имеет в нейтральном состоянии 6 электронов. Полная электронная формула: 1s22s22p2. В возбужденном состоянии один 2s-электрон переходит на свободную 2р-орбиталь, и мы получаем 4 неспаренных электрона, которые могут образовывать 4 ковалентные связи. Каждый углерод в бензольном кольце образует по одной ковалентной связи с каждым из двух соседних углеродов, еще одну ковалентную связь — с одним водородом, и оставшийся четвертый неспаренный электрон он и отдает в общее π-кольцо.

    Исходя из самых общих соображений о том, что ароматичность образуется с помощью р-электронов, вносимых каждым атомом кольцевой молекулы в общее π-кольцо, мы можем предположить, что ароматичность не исчезнет, если группу -СН- заменить на какой-то другой атом или другую группу, которая так же будет способна отдать один свой р-электрон в π-кольцо. И этот подход отлично работает.

    Рассмотрим знакомый нам пиридин. Здесь метиленовая группа -СН- заменена на N. Азот – номер 7, 1s22s23. Две связи азот образует с соседними углеродами, а третий 2р-электрон он отдает в общее π-кольцо. Конечно, в силу того что атом азота отличается от атома углерода, распределение электронной плотности в кольце будет несколько иным, чем в кольце бензола, и химические свойства пиридина заметно отличаются от свойств бензола, но ароматичность молекулы сохранится. Отлично, пойдем дальше.

    Что будет, если тот же азот использует свою неподеленную 2s-пару и образует ковалентную связь с каким-то другим атомом по донорно-акцепторному механизму, образовав тем самым катион (положительно заряженный ион) пиридиния? 

    Да ничего не будет. 2s-пара и не принимала никакого участия в образовании π-кольца, так что распределение электронной плотности в кольце снова несколько изменится, а ароматичность сохранится.

    А что, если заменить азот кислородом? Кислород – номер 8, 1s22s24. У него на двух 2р-орбиталях находится по одному электрону, и на третьей 2р-орбитали — электронная пара. Если мы поместим кислород в бензольное кольцо вместо углерода, то его 2s-пара и 2р-пара так и останутся в виде электронных пар, и две свои р-связи кислород образует с соседними углеродами… и всё, нет у кислорода такого отдельного р-электрона, который он мог бы внести в π-кольцо, ароматичность исчезает. Такая неароматическая молекула имеет систематическое название «оксан». Часто используемое тривиальное название «тетрагидропиран» может вызвать недоумение – откуда тут какое-то «тетра»? Углеродов пять, кислород один… Тетра вот откуда: существует такая неароматическая молекула – пиран (или «оксин»). Она выглядит почти как тетрагидропиран, но содержит две двойных связи (мы знаем, что алканы, алкены и алкины отличаются тем, что у алканов все связи одинарные, а если связи двойные или тройные, то буква «а» заменяется на следующие по алфавиту «е» и «и»; так же и здесь можно использовать это для запоминания: оксан не имеет двойных  связей, а оксин – имеет). Для того, чтобы пиран превратить в тетрагидропиран, надо разорвать обе двойных связи и добавить в сумме 4 водорода, вот отсюда и «тетра». Теперь мы легко поймем – как выглядит молекула дигидропирана:

    Вообще шестичленные циклы с атомом кислорода, входящим в состав ядра, довольно широко распространены в живой природе. Например, они часто встречаются в природных красителях, а также витамины Е представляют собой два конденсированных 6-членных кольца с изопрениловым хвостом, и одно из этих колец – ароматическое, а вторым как раз является 6-членный гетероцикл с кислородом. Пахучие сиреневые цветы клевера обязаны своим цветом и запахом этим же циклам. Эти же циклы можно найти в рыбных ядах, в инсектицидах (инсектициды — препараты, предназначенные для уничтожения насекомых). Они обычно встречаются в корнях, стволах, листьях и цветках растений, что, кстати, означает, что вероятнее всего они там синтезируются из сахаров, что несложно представить.

    Итак, с кислородом фокус не прошел, но… что, если вместо -СН- вставить положительно заряженный ион кислорода, т.е. кислород, отдавший один из своих электронов из единственной имеющейся у него 2р-пары? В этом случае все меняется: такому иону кислорода есть что отдать в общее π-кольцо – оставшийся электрон из этой 2р-пары. И в самом деле, такие гетероциклы – катионы пирилия — тоже являются ароматическими (понятно, что термин «пирилий» происходит от термина «пиран», так же как «аммоний» от «аммиака»):

    Итак, мы получили уже третье ароматическое 6-членное гетерокольцо. Но есть ли смысл останавливаться на этом? А что, если взять атом, у которого внешние электронные оболочки выглядят в точности так же, как у кислорода, но уже на следующем — третьем уровне? Сера – элемент номер 16 — 1s22s263s24 (МП для запоминания, что сера – именно номер 16: букву S можно представить, как две разорванные буквы «О», поставленные друг на друга, т.е. сера – удвоенный кислород). И вот мы получили четвертый вариант – катион тиопирилия:

    С этим понятно, но мы до сих пор оставались в рамках 6-членных колец, что прекрасно, поскольку мы можем пользоваться известным нам правилом о том, что ароматическими свойствами будут обладать кольца, состоящие из (4n+2) атомов углерода, где n пробегает значения от 1 и далее. Это правило называется правилом Хюккеля, и оно работает для моноциклических систем, и не только для атомов углерода, но и для других атомов, которые могут отдать свой электрон в общее π-кольцо. Если же у нас есть полициклические конденсированные системы (т.е. такие, которые содержат несколько бензольных колец с общими гранями), то правило Хюккеля работает в системах, в которых есть атомы, общие для двух колец (знакомые нам нафталин, антрацен, фенантрен и т.д.), но оно НЕ работает в системах, где есть атомы, общие сразу для трех колец (например, пирен).

    Теперь подумаем — как надо поступить, чтобы сделать гетероцикл 5-членным, но оставить его ароматическим? На что надо заменить пару углеродов? На атом, который может внести уже не один, а два электрона, т.е. такой, который имеет неподеленную пару р-электронов, т.е. для этой цели подходят группы -О-, -S-, -Se-, -NH- (ну или вместо водорода тут может быть любой радикал: -NR-) и т.д. Таким образом, используя эти 4 атома, мы можем получать самые распространенные ароматические 5-членные гетероциклы: фуран, тиофен, селенофен и пиррол. Тиофен и тем более пиррол мы уже знаем, но все равно для удобства разместим их всех вместе на одном рисунке:

    На следующем рисунке можно понаблюдать за тем, как именно свободная р-электронная пара кислорода участвует в фурановом π-кольце:

    Еще один способ ароматизации 5-членного кольца мы уже знаем из главы 003-28: это происходит в металлоценах, где атом переходного металла предоставляет свой электрон 5-членному кольцу.

    Многие производные селенофена применяются в лекарственных препаратах, а также как антиоксиданты, ну а фуран – это родоначальник большой группы органических соединений. В частности, если взять фуран и, лишив его ароматичности, присоединить к нему все возможные водороды (т.е. осуществить каталитическое гидрирование), то мы получим тетрагидрофуран (ТГФ) – очень популярный растворитель, производящийся ежегодно десятками тысяч тонн:

    ТГФ будет интересен и тем, кто очарован идеей колонизации планет Солнечной системы, поскольку он используется как противокристаллизационная присадка к авиационным и ракетным топливам. Коснувшись ракетного топлива, трудно удержаться от дополнительного рассмотрения этой темы, но сначала покончим с биохимией, а для этого, опираясь на вышесказанное, изучим интересный вопрос о том, что же это такое — витамины Е.

    К витаминам Е относят две группы очень похожих молекул – это токоферолы и токотриенолы. Они настолько похожи друг на друга, что достаточно разобраться с одной из двух групп, а вторая получится у нас автоматически, поэтому возьмем токотриенолы. Общая их формула выглядит так:

    МП, чтобы запомнить, что это именно витамины Е: «жирная туша из двух циклов Еле ползет».

    Видим знакомый изопрениловый хвост и два сопряженных кольца. Бензольное кольцо имеет гидроксил, т.е. это фенол, а кроме того, этот фенол может присоединять три радикала, но не любые радикалы дадут нам токотриенол, а только водороды или метилы. В зависимости от того, как радикалы будут размещаться, мы получим 4 изомера токотриенолов – сведем их на один рисунок, отбросив для краткости хвосты:

    А если хвост не будет содержать двойных связей, а только одинарные, то это будут токоферолы.

    Произвольная смесь из токоферолов и токотриенолов и обозначается общим термином «витамин Е».

    Важная миссия фенольного гидроксила заключается в том, что он легко отдает атом водорода в реакциях со свободными радикалами. Почему это происходит? Ведь как правило гидроксил очень неохотно отдает свой водород. Мы раньше уже (в главе 003-34) обсуждали на примере гидрохинона — какими свойствами обладает кислород, с одной стороны присоединивший к себе водород, а с другой стороны присоединенный к ароматическому кольцу: два своих валентных 2р-электрона кислород использовал, чтобы соединиться с водородом и фенольным углеродом, но у него остается пара 2р-электронов, сидящих на одной из 2р-орбиталей, и эта пара испытывает смещение в сторону ароматического кольца, что и приводит к тому, что гидроксильный водород уже не так прочно прикреплен к кислороду.
     
    То, что фенольный гидроксил витамина Е сравнительно легко отдает свой водород, имеет те последствия, что это приводит к восстановлению встречных активных свободных радикалов, поэтому витамин Е защищает органические вещества от их окисления агрессивными свободными радикалами. Гидрофобный углеводородный хвост играет другую важную роль: в силу своей гидрофобности он легко проникает в клеточную и внутриклеточные мембраны, что позволяет ему выполнять свою защитную роль.

    Наиболее активными являются α-изомеры токоферолов и токотриенолов, т.е. те, у которых все три радикала – это метилы. Помимо этого, токотриенолы вообще значительно менее биологически активны, чем токоферолы, так что мы можем упрощенно считать, что витамин Е – это α-токоферол.

    Можно нарисовать и общую схему витамина Е:

    Подытожив, мы можем сказать, что токоферол – это хромановое ядро плюс фитил (остаток фитола). МП: «без витамина Е будешь хромать».

    Если мы захотим очень кратко описать метаболический путь витамина Е в нашем организме, то достаточно будет сказать, что сначала он поступает в наш кишечник в составе растительных масел. Эти масла подвергаются гидролизу: этим занимаются липазы и эстеразы. После того, как ферменты поработали, витамин Е высвобождается из состава масел и поступает сначала в лимфу, а затем и в кровь. Кровь приносит его в печень, где специальные белки связывают α-токоферол (остальные варианты витаминов Е уходят с жёлчью), в результате чего образуются липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП). Липопротеины (реже говорят — липопротеиды) – это класс сложных белков, у которых простетическая группа является липидом.

    Итак, в составе ЛПОНП витамин Е снова поступает в кровь, где α-токоферол поступает и в другие липопротеины – нежадные ЛПОНП делятся им с ЛПНП (липопротеины низкой плотности) и с ЛПВП (липопротеины высокой плотности).

    В свою очередь ЛПНП и ЛПВП обмениваются витамином Е с эритроцитами, что приводит к тому, что в плазме крови поддерживается постоянство нужной концентрации витамина Е.

    Это все замечательно, и мы теперь понимаем, как именно и в каком виде витамин Е находится в крови и может быть разнесен ею по всему организму, но ведь он не должен просто так там плавать – он должен поступать в клетки и заниматься там своей работой. Это происходит двумя путями.

    Во-первых, ЛПНП могут захватываться специальными рецепторами клеток разных тканей, и вопрос решен. Но помимо такого рецепторно-опосредованного механизма есть и другой: специальный фермент – липопротеинлипаза – высвобождает витамин Е из ЛПОНП прямо в плазму крови, откуда он и поступает в клетки путем обычной диффузии, преодолевая их мембраны за счет своего гидрофобного хвоста или «застревая» в них. Диффузный путь особенно важен для питания токоферолом клеток мозга, ведь из-за гематоэнцефалического барьера доступ к мозгу довольно крупных ЛПНП весьма ограничен.

    Когда токоферол захватывается рецепторами клеточной мембраны, он и начинает играть свою самую важную роль: он начинает защищать эту мембрану от свободных радикалов, причем защищает он не только ненасыщенные липиды мембран, но и входящие в состав мембран белки (особенно – их тиольные группы -SH). Мы уже видели, что витамин А имеет изопрениловый хвост с двойными связями, так что витамин Е защищает и его двойные связи от разрушительного влияния свободных радикалов, и двойные связи каротина, и другие молекулы.

    Более того, токоферол умеет активировать другие молекулы-антиоксиданты.

    Проникая внутрь клетки, токоферол в числе прочего добирается и до митохондрий и внедряется в их мембраны, и здесь он выполняет ту же самую роль мембранного охранителя и защитника, но последствия этого гораздо глубже, ведь мы знаем, что если обычная клеточная мембрана выполняет оборонительно-транспортно-таможенные функции, то митохондрия использует свою двойную мембрану для того, чтобы осуществлять клеточное дыхание, производить АТФ, и если мембраны митохондрий начнут разрушаться свободными радикалами сверх меры, то по сути клетки начнут задыхаться, а значит они начнут наращивать потребление кислорода, растворенного в крови, а значит концентрация кислорода в крови начнет падать, возникнет гипоксия. Предотвращая все это, витамин А играет роль не только антиоксиданта, но и антигипоксанта. Тут важно еще учесть, что по своему составу митохондриальная мембрана сильно отличается от клеточной мембраны и от мембран других органелл, и мембраны митохондрий наиболее чувствительны к окислительному повреждению, потому что содержат больше всего легко окисляющихся ненасыщенных липидов, так что роль токоферола в защите митохондриальных мембран особенно велика и значима. Главный антиоксидант митохондрий – убихинон – также испытывает поддержку со стороны токоферола в процессе своего биосинтеза.

    После того, как токоферол выполнил свою роль – отдал протон свободному радикалу и обезвредил его, он становится «разряженным», но легко может «зарядится» снова, восстанавливаясь, то есть принимая протон от других молекул. Такую роль механизма, заряжающего токоферол, может играть аскорбиновая кислота (иначе – витамин С, который мы еще не изучали, но рано или поздно доберемся, тем более что его ядро составляет пятичленный неароматический углеродный цикл с одним кислородом и одной двойной связью, т.е. дигидрофуран).

    Токотриенолы больше специализируются на защите нейронов.

    Конечно, это только краткий перечень тех функций, которые свойственны токоферолам и токотриенолам, и в будущем мы еще будем с ними встречаться в разных ситуациях.

    Глава получилась сложной и насыщенной – такова специфика входа в новую для нас область сахаров и липидов, но когда этот раздел будет завершен, будет уже намного проще, ведь у нас уже будет базовая информация по всем четырем магистральным биохимическим направлениям: белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. А сейчас оторвем взгляд от бренной Земли и взглянем в космос.

    Существует такая очень простая молекула – гидразин – две соединенные друг с другом аминогруппы:

    Главное свойство гидразина состоит в том, что он является сильным восстановителем, т.е. охотно отдает свои атомы водорода, окисляясь до простого молекулярного азота N2. Каждый из двух азотов имеет неподеленную пару 2р-электронов, а значит гидразин может присоединить к себе дополнительно или один атом водорода (и превратиться в гидразиний с зарядом +1), или два (и превратиться в гидразоний с зарядом +2). Удобно, что «о» следует после «и», так что легко запомнить – какое название чему соответствует.

    К сожалению, это ОЧЕНЬ токсичное вещество (в связи с чем предлагаю переименовать его в гнидразин), что особенно неприятно для тех, кто живет в тех регионах, куда могут падать неудачно запускаемые ракеты, ведь гидразин широко используется в качестве компонента ракетного топлива, но с другой стороны ядовитость гидразина и гидразиния используется и в медицине. Например, сульфат гидразиния используют как средство против разнообразных видов рака, т.к. он задерживает рост и вызывает распад некоторых опухолей:

    Органических производных гидразина очень много, но, чтобы взлететь в космос, нам особенно пригодится 1,1-Диметилгидразин, который еще называют несимметричным диметилгидразином (НДМГ) (исторически так сложилось, что ракетчики называют его гептилом, что совершенно неверно с химической точки зрения):

    Мы снова видим азот в составе ракетного топлива (с еще одним азотсодержащим ракетным топливом — нитрометаном — мы уже знакомы). НДМГ, как и гидразин, может сам по себе работать как ракетное топливо, но у них обоих есть значимые минусы: гидразин придает ракете больший импульс, но, во-первых, замерзает уже при температуре, близкой к нулю, что очень неудобно, а во-вторых нестабилен и может взорваться в самый неподходящий момент. НДМГ имеет удобную низкую температуру замерзания – минус 57 градусов, но менее эффективен. Компромисс достигается путем смешивания их обоих в равной пропорции, и такая смесь называется аэрозином. Аэрозин активно использовался NASA для двигателей кораблей «Аполлон» (в том числе их лунных модулей), в ракетах «Сатурн» и «Титан». Он используется в двигательных установках пилотируемых кораблей, спутников, орбитальных и межпланетных станций, и, увы, в жидкостных межконтинентальных баллистических ракетах. Ядовитость НДМГ также чрезвычайно велика – он примерно в 4 раза токсичнее синильной кислоты.

    Крайне ядовитым производным гидразина является и фенилгидразин:

    Он вызывает разрушение эритроцитов и лейкоцитов, вызывает метгемоглобинемию, а попадая на кожу, вызывает экзему. В общем – берегись всего, в названии чего есть «гидразин».