2014-01-31
1373
Классификация реакций в биоорганической химии
Содержание лекции
МЕХАНИЗМЫ БИООРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.
4.1 Классификация реакций в биоорганической химии
4.1.1. Типы разрыва химических связей
4.1.2. Гомолитический тип разрыва химических связей
4.1.3. Гетеролитический тип разрыва химических связей
4.2. Механизмы биоорганических реакций
4.2.1. Реакции электрофильного присоединения в ряду алкенов(А Е)
4.2.2. Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе
альдегидов и кетонов (АN)
4.2.3. Реакции электрофильного замещения в ряду ароматических
соединений(SE+)
4.2.4. Реакции нуклеофильного замещения (S N)
4.2.5. Реакции элиминирования (E)
4.2.6. окислительно-восстановительные реакции
Исходный уровень знаний для усвоения темы:
Типы химических связей в органических соединениях, механизмы образования связи(обменный, донорно-акцепторный).Распределение электронной плотности в молекуле.
Индуктивный, мезомерный эффекты. Донорные и акцепторные заместители. Кислотно-основные свойства биоорганических молекул. Типы химических реакций.
Основы кинетики и катализа химических реакций: скорость, энергия активации, факторы, влияющие на скорость реакции.
Ключевые слова к теме:
Классификация биоорганических реакций(восстановление, замещение, окисление, присоединение, элиминирование), кофермент НАД, механизм реакции, нуклеофил, радикал, реакции in vivo - и in vitro, реакционная способность, типы разрыва химических связей(гетеролитический, гомолитический), фермент, электрофил.
«Механизм (греч. –mẻchanẻ – орудие, сооружение).
Совокупность промежуточных состояний
и процессов. которые претерпевает
какое - либо физическое, химическое явление,
например, механизм химической реакции»
(Современный словарь иностранных слов)
Химическая реакция представляет собой такое взаимодействие между веществами,
которое сопровождается изменением состава или строения веществ. Биологические процессы в клетке связаны с прохождением химических реакций. Принято подразделять химические процессы на два типа: in vivo - те, что проходят в клетках живых организмов и in vitro – вне организма. Биоорганическая химия изучает реакции in vitro, но без знания законов этих процессов нельзя исследовать химические процессы in vivo.
В органической (и биоорганической химии) принято выделять следующие типы реакций:
- присоединения (обозначают символом А - от англ. - to add –соединять)
- замещения (обозначают символом S - от англ. - substitution – замещение)
- отщепления(элиминирования) (обозначают символом Е - от англ.-to eliminate-
удалять, устранять)
-изомеризации
-разложения
- окислительно-восстановительные
В биохимии реакции, контролируемые ферментами, подразделяют на 6 типов, и, в связи с этим, существует 6 классов ферментов(каждый класс соответствует одному типу реакции).
Для характеристики веществ используют понятие реакционная способность- склонность вещества вступать в различные реакции с большей или меньшей скоростью.
Реакционную способность определяют сравнительно с другими подобного строения соединениями.
4.1.1 Типы разрыва химических связей
Любая химическая реакция сопровождается разрывом одних связей и образованием других. Возможны два принципиально разных вида разрыва химических связей: гомолитический и гетеролитический. Реакционная способность вещества находится в прямой зависимости от типа разрыва его химических связей.
Гомолитический(радикальный) тип разрыва характерен для неполярных или малополярных ковалентных связей при воздействии высокой температуры, электромагнитного неионизирующего излучения(ультрафиолетовое, рентгеновское) или других свободных радикалов; приводит к образованию активных частиц радикалов.
Радикал (R•) - частица вещества, имеющая неспаренный электрон. Радикалы могут быть нейтральными или заряженными частицами. При гомолитическом разрыве общая электронная пара связи разрывается поровну(по одному электрону на каждую новую частицу).
С12 —> 2 С1
С1 -|- С1 —> C1• + C1• неспаренный электрон принято обозначать(•)
Диаграмма распределения электронов в атоме хлора на 3-ем энергетическом уровне
в невозбужденном состоянии.
--↑↓-- --↑↓--- --↑---
С1 --↑↓--- неспаренный электрон
3 s 3 р
В процессе биохимических реакций образуются свободные радикалы при восстановлении кислорода и особом ферментативном окислении аминокислоты аргинина.
Полное восстановление дикислорода О 2 обычно сопровождается образованием двух ионов оксида О -2.
О 2 + 4 е —> 2 О -2
При Восстановлении с участием одного электрона образуется супероксид (англ - superoxide), который представляет из себя ион-радикал с зарядом (-1)
О 2 + 1 е —> • О 2—1
Распределение электронов в молекуле дикислорода и супероксида.
• • • •
• О • • О • + 1 е —> • • • • (-)
• • • • • О • • О • • супероксид
дикислород • • • •
в молекуле О 2 нет
двойной связи неспаренный электрон «лишний» электрон (-)
два неспаренных электрона
Восстановление с участием двух атомов кислорода приводит к образованию пероксида (в виде пероксида водорода), который может быть источником двух гидроксид-радикалов.
О 2 + 2 е —> О 2—2
О 2 + 2 е + 2 Н + —> Н 2 О 2 пероксид водорода
НО •|• ОН —> 2 Н О • гидроксид- радикал
Радикалы гидроксида обладают высокой активностью, они могут получаться также при радиолизе воды в момент воздействия рентгеновского или радиоактивного излучения.
НОН —> Н• + НО •
Эти активные частицы вызывают изменения структуры белков мембран, рецепторов, ферментов, нуклеиновых кислот. Эти патохимические нарушения - важное звено в развитии лучевой болезни.
Образование оксида азота(+2), относящегося также к свободным радикалам, имеет важное значение для регуляции процессов обмена веществ и осуществления адаптации (приспособления) клетки в изменяющихся условиях существования.
Оксид NO образуется в физиологических условиях in vivo ферментативно из аминокислоты аргинина и при приеме нитроэфиров- лекарственных препаратов(самым известным и распространенным лекарством является тринитроглицерин)
На схеме видно, что атом азота в оксиде имеет неспаренный электрон.
•• •• В электронной оболочке кислорода 8, а азота- 7электронов
• N = О Неспаренный электрон создает радикальные свойства.
••
Органические молекулы также образуют радикалы при отрыве атома водорода от атома углерода в sp3 –гибридном состоянии или разрыве связи между атомами С sp3.
Атом углерода, имеющий неспаренный электрон, переходит в состояние sp2 , неспаренный электрон располагается на негибридной орбитали, а три связи с другими атомами располагаются в одной плоскости под углом 1200. Устойчивость радикалов зависит от нескольких факторов:
а) возникновение системы сопряжения при образовании радикала; атом, несущий неспаренный электрон, включается в цепь сопряжения, происходит увеличение устойчивости радикала.
•
— СН = СН—СН2—СН=СН— + R• —— > — СН = СН—СН—СН=СН— + RН
несопряженная система | цепь сопряжения |
Именно такое несопряженное строение имеют природные полиненасыщенные кислоты.
б) влияние заместителей, связанных с атомом, на котором локализован неспаренный электрон; донорные и акцепторные заместители увеличивают устойчивость радикалов.
В ряду алканов устойчивость радикалов изменяется:
С (третичный) > С(вторичный) > С (первичный).
