Гидроксикислоты

Непредельные ди- и трикарбоновые кислоты

Малеиновая (цис - бутендиовая) и фумаровая (транс - бутендиовая) кислоты – геометрические изомеры, кристаллические вещества. Малеиновая кислота хорошо растворима в воде, а фумаровая- трудно.

Фумаровая кислота- биологически активное соединение - содержится в грибах, лишайниках, клетках растений, выделена из повилики (Fumaria officinalis); в тканях животных и человека образуется в митохондриях в процессе реакций цикла Кребса. Малеиновая кислота- токсичное соединение для животных и человека, в природе не обнаружена.

Н Н Н СООН

\ / УФ, Т⁰, R ^· \ /

С = С ——————> С= С более устойчивая форма

/ \ / \

НООС СООН НООС Н

малеиновая кислота фумаровая кислота

Не может быть катализатора, осуществляющего обратный переход фумаровой кислоты в малеиновую.

Обе кислоты восстанавливаются в янтарную кислоту., in vivo это происходит с фумаровой кислотой с участием молекулы ФАДН₂

НООС- СН=СН - СООН + ФАДН₂ —фермент—>НООС - СН₂ –СН ₂– СООН +ФАД

фумаровая кислота янтарная кислота

В ферментативных реакциях in vivo присоединение воды к фумаровой кислоте (гидратация) приводит к образованию одного определенного пространственного изомера яблочной кислоты (D или L) [ чтобы лучше понять материал, посмотрите снова лекцию «Изомерия» ]

НООС- СН=СН - СООН + НОН — (фермент) ———> НООС - СН –СН ₂– СООН

|

ОН

яблочная кислота

(в биохимии называют – малат)

Содержат функциональную гидроксильную группу. В природе встречаются моно-, ди -, трикарбоновые кислоты, содержащие одну или несколько гидроксильных групп.

5.8.1. Моногидроксимонокарбоновые кислоты

Содержат две функциональные группы

- карбоксильную и гидроксильную (первичную, вторичную, третичную), которые определяют их химические свойства

Химические свойства связаны с наличием двух функциональных групп

ОН - R – CООН

/ \

образуют производные образуют производные с участием

с участие гидроксильной карбоксильной группы

(спиртовой) группы - соли

- простые эфиры - сложные эфиры

- сложные эфиры - амиды

- замещение на атом галогена

- вступают в реакции

- окисления (образуется карбонильная групп)

- дегидратации (получается непредельная кислота)

Для моногидроксикарбоновых кислот характерна изомерия:

- структурная (связана со строением скелета и положением гидроксильной группы)

- оптическая (стерео), проявляющаяся в существовании энантиомеров.

Гидроксикарбоновые кислоты хорошо растворимы в воде.

Гомологический ряд начинается с гидроксиуксусной (гликолевой) кислоты.

СН ₂– СООН

|

ОН

Твердое кристаллическое вещество. Обнаружена в свекловичном соке, репе, незрелом винограде. Применяется в промышленности для дубления кож, а в косметологии- самостоятельно или в составе «фруктовых кислот» в качестве химического пилинга для удаления части наружного мертвого эпителиального слоя кожи.

Гидроксипропановые кислоты - возможны 2 структурных изомера.

2-гидроксипропановая кислота(молочная, лактат) - важнейший природный метаболит, образуется из углеводов(глюкозы, крахмала, гликогена) в условиях анаэробного обмена (в отсутствии кислорода).

Содержит асимметрический(*) атом углерода, существует в виде двух изомеров: L-лактата и D –лактата.

энантиомеры-зеркальные изомеры

СООН СООН

СН₃ - ^*СН - СООН | |

‌| НО- С - Н Н- С - ОН

ОН | |

СН ₃ СН ₃

(+) L-лактат (-) D –лактат

Впервые открыта химиком Шееле в кислом молоке. D –лактат образуется в мышцах и других органах человека и животных в процессе анаэробного превращения глюкозы

(анаэробного гликолиза)

Напоминаем, что физические свойства энантиомеров одинаковы(Т⁰ плавл. = 26 -28⁰) Отличия только в знаке вращения плоскополяризованного луча. Обратите внимание, что в данном случае изомер L – ряда является правовращающим, а D – ряда – левовращающим. Соли молочной кислоты носят название лактаты, в медицине молочную кислоту используют для пилинга, для оценки функции печени. В пищевой промышленности ее добавляют к сокам, эссенциям.

В биохимических реакциях важную роль играет обратимая реакция окисления молочной кислоты в пировиноградную, которая протекает в печени, миокарде и других органах и тканях организма в присутствии кислорода.

фермент лактатдегидрогеназа

СН₃ – СН- СООН + НАД⁺ <—————> СН ₃ -С - СООН + НАДН + Н⁺

| | |

ОН О

молочная кислота пировиноградная кислота

Гидроксибутановые кислоты.

Биологическое значение имеют 2 изомера: 3-гидроксибутановая кислота и 4-гидроксибутановая кислота

3-гидроксибутановая кислота (ß-оксимасляная) – образуется в связанном состоянии с белком-ферментом в процессе биосинтеза высших карбоновых кислот, L –стереоизомер образуется в печени и в свободном виде выделяется в кровь, поступает в мышцы и выполняет энергетические функции, участвуя в реакциях цикла Кребса. Эта биологическая функция обозначается как «кетоновое тел».

СН₃ – СН –СН ₂- СООН СООН

| |

ОН СН ₂

3-гидроксибутановая кислота | L -3-гидроксибутановая кислота

(ß-оксимасляная) НО –^*С – Н (β -гидроксимасляная)

|

СН₃

В биохимических реакциях in vivo 2 превращения имеют важное значение для протекания обмена веществ:

- реакция окисления (образуется 3 –оксобутановая кислота)

- реакция дегидратации (образуется 2-бутеновая – кротоновая- кислота)

Окисление фермент

СН₃ – СН –СН ₂- СООН + НАД ⁺ < —————> СН₃ – С –СН ₂- СООН + НАДН + Н⁺

| | |

ОН О

3-оксобутановая кислота

(ацетоуксусная)

Дегидратация

4 3 2 1 фермент

СН₃ – СН – СН ₂ - СООН <—————> СН₃ – СН = СН - СООН + Н₂О

| более сильный

ОН кислотный центр 2-бутеновая(кротоновая) кислота

В таком же направлении проходит реакция in vitro (по правилу Попова-Зайцева)

Дегидратация 3-гидроксибутановой кислоты относится к реакциям элиминирования. Из двух возможных изомеров образуется только один, поскольку атомы водорода, связанные с атомом углерода С-2 являются более подвижными. Вследствие акцепторного действия карбоксильной группы у атома С-2 образуется более сильный кислотный центр, чем у С-4. Реакция обратима, при гидратации кротоновой кислоты образуется 3-гидроксибутановая кислота.

4- гидроксибутановая(γ – оксимасляная, ГОМК) кислота превращается в циклический сложный эфир - лактон (бутиролактон) – внутримолекулярная реакция дегидратации.

СН ₂– СН₂ –СН ₂- СООН Н₂ С —— СН₂

‌| ————> | | + Н2 О

ОН Н₂ С С = О бутиролактон

О

В организме человека γ - оксимасляная кислота образуется в нейронах мозга и обладает фармакологическим эффектом, является медиатором торможения центральной нервной системы.

Используется как лекарственный препарат только в виде соли- натрия оксибутирата (Natrii оxybutyras), чтобы исключить образование лактона, поскольку лактон не

обладает фармакологическом эффектом.

СН ₂– СН₂ –СН ₂- СООNa γ – гидроксибутират (ГОМК – Na)

|

ОН

NB! Врач-анестезиолог должен помнить, что при изменении нормального значения рН крови в кислую сторону (что часто встречается при недостатке кислорода) происходит превращение натрия оксибутирата в γ- оксимасляную кислоту, которая сразу образует неактивный бутиролактон и эффективность действия препарата снижается.

5.8.2 Гидроксидикарбоновые кислоты (содержат две карбоксильные группы)

Моногидроксидикарбоновая кислота – 2-гидроксибутандиовая (оксиянтарная,. яблочная кислота, малат) – биологически активное соединение, присутствует в тканях животных, человека, в растениях (много в рябине, барбарисе). Впервые выделена К.Шееле в 1785 г. из незрелых яблок

НООС – СН₂ – СН – СООН

|

ОН

Существует в виде двух стереоизомеров и рацемической смеси. L-малат образуется в процессе реакций цикла Кребса. Присутствие гидроксильной группы делает возможным две реакции: элиминирования и окисления.

Обратимая реакция элиминирования (дегидратации) приводит к образованию более устойчивого транс-изомера бутендиовой кислоты – фумаровой. В условиях in vivo эта реакция происходит в процессе цикла Кребса.

НООС-СН(ОН) -СН ₂ –СООН <—— фермент ——> НООС-СН=СН-СООН + Н ₂ О

фумаровая кислота

транс-бутендиовая

Обратимая реакция окисления сопровождается образованием кетокислоты: 2-оксобутандиовой(оксоянтарной, щавелевоуксусной)

НООС- СН-СН ₂ -СООН + НАД ⁺ <—— фермент ——> НООС-С –СН ₂ -СООН

| | |

ОН О

щавелевоуксусная кислота (ЩУК)

Яблочную кислоту в медицине применяют в составе слабительных средств и препаратов от хрипоты.

5.8.3. Дигидроксидикарбоновые кислоты

Дигидроксибутандиовые кислоты (винная, виноградная) – известны три изомера:.

D- винная, L- винная и мезовинная кислоты, все твердые кристаллические вещества, растворимые воде.

СООН СООН СООН

| | |

Н- C - ОН НО- C -Н Н- C -ОН

| | |

НО- С - Н Н - С - ОН Н - С - ОН

| | |

CООН СООН СООН

D - винная L- винная мезовинная

D - винная и L- винная кислоты - энантиомеры, их называют виноградной кислотой; две пары: D - винная и мезовинная, L- винная и мезовинная – диастереомеры. Мезовинная кислота- оптически неактивна ввиду внутренней симметрии молекулы.

D - винная кислота в виде кислой соли(винного камня) выделяется в осадок из красного виноградного вина. Изучая винные кислоты, в 1830г. И. Берцелиус ввел понятие изомерии, а в 1848 г. Л. Пастер разделил их на оптические антиподы. Соли винной кислоты называются тартраты.

В медицине используется лекарство антимонила –натрия тартрат (натрий винносурьмянокислый) для лечения цистозоматозов. Обладает сильным рвотным действием, известен под названием «рвотный» камень.

Его состав (SbО) ООС-СНОН-СНОН-СООК

Двойная соль винной кислоты калия - натрия тартрат КООС-СН(ОН)-СН(ОН)СООNа в аналитической химии используется для получения реактива Фелинга(проведение качественной реакции для обнаружения глюкозы и ряда других углеводов). В 17 в. аптекарь Сенье предложил использовать это соединение как слабительное средство (отсюда происхождение названия сегнетова соль). В 20 веке обнаружили особые физические свойства данной соли, которая положила начало исследованию веществ-сегнетоэлектриков, обладающих пьезоэффектом, которые применяются в радиотехнике, для создания генераторов переменной частоты, в том числе и в производстве медицинской аппаратуры. Сегнетова соль является оптически активным соединением, так как исчезает симметричное строение из-за присутствия двух разных катионов: натрия и калия.

5.8.4.Гидрокситрикарбоновая кислота - лимонная, изолимонная кислоты-