Оптические изомеры и их влияние на организм человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптические изомеры и их влияние на организм человека



Содержание

Введение

1. Понятие о пространственной оптической изомерии

1.1 Основные положения стереохимии

1.2 Понятие о пространственной оптической изомерии

1.3 Стереоизомеры

1.4 Поляриметр. Удельное вращение

1.5 Открытие Пастера

1.6 Теория оптической изомерии

1.7 Хиральность молекул

2. Оптически активные соединения. Номенклатура энантиомеров

2.1 Оптически активные соединения с одним асимметрическим атомом

2.2 Оптически активные соединения с несколькими асимметрическими атомами углерода

2.3 Генетические ряды

2.4 Номенклатура энантиомеров

3. Пространственное строение аминокислот и их влияние

3.1 Строение аминокислот

3.2 б-Аминокислоты D- и L-стереохимических рядов

3.3 б-Аминокислоты, входящие в состав белков

3.4 Конфигурационный контроль

4. Пространственное строение углеводов и их влияние

4.1. Строение углеводов

4.2 Гликозиды

Заключение

Библиографический список

Приложение



Введение

"Когда молекула смотрится в зеркало" - такое необычное название было у статьи, опубликованной в июньском номере за 1996 год американского журнала, посвященного химическому образованию (JournalofChemicalEducation). А на первой странице обложки этого номера был тоже необычный рисунок. На боку добродушно виляющего хвостом пса была изображена структурная формула пеницилламина. Пес смотрел в зеркало, а оттуда на него глядел страшный зверь с оскаленной клыкастой пастью и вставшей дыбом шерстью. На боку зверя была изображена та же самая структурная формула в виде зеркального отображением первой. Почему же фактически одно и то же вещество имеет столь разные обличья? Объясняется это особым свойством некоторых химических соединений, которое тесно связано с их оптической активностью.

В своей курсовой работе я постараюсь раскрыть загадку оптических изомеров и выявить как они влияют на организм человека. В течение XX и XXI веков накоплено множество научно-исследовательских работ по оптической изомерии, проведено множество экспериментов с главной целью - выявить влияние оптических антиподов.

Цели курсовой работы:

1. Рассмотреть виды оптической изомерии

2. Выявить влияние оптической изомерии на человека

3. 

1. Понятие о пространственной оптической изомерии

1.1 Основные положения стереохимии

Стереохимия

Стереохимия или структурная химия(от греч.уфесеьт -- твёрдый, пространственный), -- раздел химии о пространственном строении молекул и влиянии его на химические свойства (статическая стереохимия) и на направление и скорость реакций (динамическая стереохимия). Стереохимия изучает стереоизомеры.

1.2 Стереоизомеры

Стереоизомеры -- изомеры, которые обладают идентичной химической структурой, но которые отличаются по расположению их атомов в пространстве. Для развития стереоизомерии большое значение имела гипотеза Я.Х. Вант-Гофффа о тетраэдрическом строении атома углерода.

Стереохимия играет большую роль в изучении механизмов химических реакций, химических процессов, происходящих в живых организмах, и решении многих других проблем. С пространственным строением соединений связана их биологическая активность.

Типы стереоизомеров:

§ Конформационные (открытые и циклические формы);

§ Конфигурационные:

· Энантиомеры (оптическая изомерия) - разновидность пространственной изомерии, являющаяся прямым следствием хиральности молекул, проявляется способностью некоторых веществ поворачивать плоскость поляризованного луча в противоположные стороны (оптическая активность).

· Диастереомеры-разновидность пространственной изомерии химических соединений, неявляющихся оптическими изомерами.

Для того чтобы понять как появляются оптические изомеры разберем такие понятия: поляризация света, оптическая активность и хиральность молекул.

1.3 Поляризация света и оптическая активность

В начале 19 в. английский физик, астроном и врач Томас Юнг показал, что свет можно рассматривать как волну. Французский физик Огюстен Френель установил, что световые волны - поперечные: колебания в них происходят перпендикулярно направлению движения. Уже в 20 в. было установлено, что свет - это электромагнитная волна, наподобие радиоволны, только длина волны у света намного меньше. Колебания электрического поля происходят только перпендикулярно направлению светового луча. В обычном свете колебания происходят случайно, во всех направлениях. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например, турмалина или исландского шпата (разновидность СаСО₃), свет приобретает особые свойства: кристалл как бы "срезает" все колебания электрического поля, кроме одного, расположенного в определенной плоскости.

Французский физик Этьен Луи Малюс полагал, что свет состоит из частиц с двумя полюсами - "северным" и "южным", и в свете, прошедшем через исландский шпат, все полюсы повернуты в одну сторону. Поэтому он назвал такой свет поляризованным. Было обнаружено, что свет частично поляризуется, отражаясь под некоторыми углами от блестящих поверхностей диэлектриков, например, от стекла, или преломляясь в них. Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось. Глаз человека не может отличить обычный свет от поляризованного, однако это легко сделать с помощью простейших оптических приборов - поляриметров.

Выяснилось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества происходит интересное явление: плоскость, в которой расположены "стрелки" колеблющегося электрического поля, постепенно поворачивается вокруг оси, вдоль которой идет луч. Впервые это явление обнаружил в 1811 французский физик Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Природные кристаллы кварца имеют неправильное, асимметричное строение, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения. Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право- и левовращающими.

В 1815 другой французский физик Жан Батист Био и немецкий физик Томас Зеебек, исследуя некоторые органические вещества(сахар, скипидар) доказали, что оптическая активность может быть связана не только с асимметрией кристаллов, но и с каким-то неизвестным свойством самих молекул. Оказалось, что, как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могут существовать в виде как право-, так и левовращающих разновидностей, причем самый тщательный химический анализ не обнаруживает между ними никаких различий! Фактически это был новый тип изомерии, которую назвали оптической изомерией. Оказалось, что кроме право- и левовращающих, есть и третий тип изомеров - оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 знаменитый немецкий химик Йёнс Якоб Берцелиус на примере виноградной (дигидроксиянтарной) кислоты НООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООН: эта кислота оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Позднее была открыта и не встречающаяся в природе "левая" винная кислота - антипод правовращающей.



1.4 Поляриметр. Удельное вращение

Различить оптические изомеры можно с помощью поляриметра - прибора, измеряющего угол поворота плоскости поляризации. Величину оптической активности измеряют приборами, называемымиполяриметрами. Луч от источника света проходит через поляризатор, которым обычно служит так называемаяпризма Николя (или простониколь), изготовляемая из кристалла исландского шпата при помощи специальной шлифовки с определенным направлением оптической оси. При выходе из поляризатора свет становится плоскополя-ризованным, т. е. электромагнитные колебания происходят только в одной плоскости. Если на пути плоскополяризованного света поставить вторую призму Николя -- анализатор, то интенсивность плоскополяризованного света, прошедшего через анализатор, будет зависеть от взаимной ориентации обеих призм. В том случае, когда плоскости поляризации обеих призм повернуты на 90° друг к другу (скрещенные николи), плоскополяризованный свет полностью гасится анализатором. (см.приложение№1)

Если в поляриметр со скрещенными николями поместить между поляризатором и анализатором поляриметрическую трубку с оптически активным веществом, то у света, выходящего из трубки, плоскость поляризации уже не будет перпендикулярна плоскости поляризации анализатора. Для наблюдателя это будет соответствовать неполному гашению света в анализаторе. Чтобы добиться полного гашения света, необходимо повернуть анализатор на некоторый угол вправо (+) или влево (-). Этот угол б и является углом, на который вещество, находящееся в поляриметрической трубке, вращает плоскость поляризации.

Угол вращения плоскости поляризованного света а зависит от числа и типа молекул, которые встречает луч света на своем пути. Найдено, что величинаб зависит от концентрации раствора (или плотности чистой жидкости) и расстояния, которое свет проходит в данной среде.

Для сравнения оптической активности у разных соединений введено понятие удельного вращения -- угла поворота плоскости колебания плоскополяризованного света, проходящего через слой раствора (или чистой жидкости) толщиной 1 дм при температуре t^?, длине волны падающего монохроматического света X и концентрации оптически активного вещества 1 г/см³.

Удельное вращение обозначается [б]: для растворо

в [б]^t_г=_;д_ЛЯ

чистых жидкостей, [б]^t_г=,где б -- наблюдаемый угол вращения; -- длина кюветы, дм; с -- концентрация оптически активного вещества в г на 100 см³ раствора; с -- плотность раствора, г/см³.

Например, если для соединения указывается [б]²⁰_D = +11,98° (вода), то это означает, что вращение вещества направлено вправо и составляет 11,98° в воде при 20 °С. Как правило, указывают, при какой концентрации производили измерения, так как это может сказываться на величине б (например, с = 20).

1.5 Открытие Пастера

Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например, кубические кристаллы поваренной соли оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась совершенно загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 никому тогда не известный Луи Пастер. Еще в студенческие годы Пастер интересовался химией и кристаллографией, работая под руководством физика Ж.Б.Био и французского химика Жана Батиста Дюма. После окончания Высшей нормальной школы в Париже молодой Пастер работал лаборантом у Антуана Балара. Балар был уже известным химиком, который за 22 года до этого прославился открытием нового элемента - брома. Своему ассистенту он дал тему по кристаллографии, не предполагая, что это приведет к выдающемуся открытию.

В ходе исследования Пастер получил кислую натриевую соль виноградной кислоты C₄H₅O₆Na, насытил раствор аммиаком и медленным выпариванием воды получил призматические кристаллы натриево-аммониевой соли C₄H₃O₆NaNH₄. Кристаллы эти оказались асимметричными, одни из них были как бы зеркальным отражением других: у половины кристаллов одна характерная грань находилась справа, а у других - слева. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением. Пастер на этом не остановился. Из каждого раствора он выделил исходную кислоту (которая была неактивной). Каково же было его удивление, когда оказалось, что один раствор - это известная правовращающая винная кислота, а другой - такая же кислота, но вращающая влево!

Воспоминания очевидцев свидетельствуют о невероятном нервном возбуждении молодого ученого, охватившем его в эту минуту; поняв, что ему удалось сделать, Пастер выбежал из лаборатории и, встретив лаборанта физического кабинета, бросился к нему и, обняв, воскликнул: "Я только что сделал великое открытие!" А заключалось оно в том, что давно известная неактивная виноградная кислота - это просто смесь равных количеств также известной "правой" винной кислоты и ранее не известной "левой". Именно поэтому смесь не обладает оптической активностью. Для такой смеси стали применять название рацемат (от латинскогоracemus - виноград). А два полученных Пастером антипода винной кислоты получили название энантиомеров (от греч. enantios - противоположный). Пастер ввел для них обозначения L- и D-изомеров (от латинских слов laevus - левый и dexter - правый). Позднее немецкий химик Эмиль Фишер связал эти обозначения со строением двух энантиомеров одного из наиболее простых оптически активных веществ - глицеринового альдегида ОНСН₂-СН(ОН)-СНО. В 1956 по предложению английских химиков Роберта Кана и Кристофера Ингольда и швейцарского химика Владимира Прелога для оптических изомеров были введены обозначения S (от лат. sinister - левый) и R (лат. rectus - правый).

1.6 Теория оптической изомерии

Работа Пастера, доказывающая возможность "расщепления" оптически неактивного соединения на антиподы - энантиомеры, первоначально вызвала у многих химиков недоверие. Даже сам Био не поверил своему ассистенту, пока собственноручно не повторил его опыт не убедился в правоте Пастера. Эта и последующие работы Пастера приковали к себе пристальное внимание химиков. Вскоре Жозеф Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Иоганн Вислиценус установил, что существуют две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (молочная кислота брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (мясомолочная кислота). Подобных примеров становилось все больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов. Такую теорию создал молодой голландский ученый Вант-Гофф. Согласно этой теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть "правыми" и "левыми", являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример был такой. Атом углерода в органических соединениях четырехвалентен, четыре химические связи направлены от него под равными углами к вершинам тетраэдра. Если все атомы или группы атомов, находящиеся в вершинах тетраэдра и связанные с центральным атомом углерода, будут разными, то возможны две разные структуры, которые не совмещаются друг с другом вращением в пространстве. Если же хотя бы два заместителя из четырех будут одинаковыми, молекулы станут полностью идентичными. Подобные структуры, которые отличаются друг от друга как правая рука от левой, получили название хиральных. Таким образом, оптическая активность - следствие пространственной изомерии (стереоизомерии) молекул.

Теория Вант-Гоффа далеко не сразу завоевала признание. Так, выдающийся немецкий химик-экспериментатор Адольф Кольбе, (его именем названо несколько органических реакций), опубликовал в мае 1877 года язвительную статью, в которой резко отрицательно отозвался о новой теории. К счастью, Кольбе оказался в явном меньшинстве, и теория Вант-Гоффа, заложившая основы современной стереохимии, завоевала общее признание, а ее создатель в 1901 стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии.

1.7 Хиральность молекул

Хиральность (молекулярная хиральность) -- свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве.

Термин "хиральность" происходит от древнегреческого чейс - "рука". Руки человека - возможно, наиболее распознаваемый пример хиральности: левая рука не накладывается поверх правой руки; неважно, как расположены руки, невозможно, чтобы все главные особенности обеих рук совпали.

Атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями, называется асимметрическим. Асимметрическими могут быть и атомы других элементов - кремния, азота, фосфора, серы. Однако оптически активными могут быть и соединения без асимметрических атомов углерода, если они могут существовать в виде двух зеркальных изомеров. Молекула будет асимметрической, если в ней нет ни одного элемента симметрии - ни центра, ни осей, ни плоскости симметрии. Примером может служить молекула аллена H2C=C=CH2, в которой имеются два различных заместителя: R₁R₂C=C=CR₁R₂. Дело в том, что эти заместители находятся не в одной плоскости (как, например, у алкенов), а в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поэтому возможно существование двух зеркальных изомеров, которые никакими перемещениями и поворотами невозможно совместить друг с другом.

Более сложные отношения встречаются в случае молекул с несколькими асимметрическими атомами углерода. Например, в винной кислоте две гидроксильные группы у двух соседних атомов углерода могут быть расположены так, что молекула окажется симметричной и зеркальных изомеров у нее не будет. Это приводит к образованию еще одного, оптически неактивного, изомера, которых называется мезовинной (или антивинной) кислотой. Таким образом, дигидроксиянтарная кислота может находиться в виде четырех изомеров: правовращающего (D-винная кислота, которую в медицине называют виннокаменной), левовращающего (L-винная кислота), оптически неактивного (мезовинная кислота), а также в виде смеси L- и R-изомеров, то есть рацемата (i-винная, или виноградная кислота). Оптически активные винные кислоты при длительном нагревании их водных растворов рацемизуются, превращаясь в смесь антиподов.

Еще сложнее обстоит дело, когда асимметрических центров у молекулы множество. Например, в молекуле глюкозы их четыре. Поэтому для нее теоретически возможно существование 16 стереоизомеров, которые образуют 8 пар зеркальных антиподов. Они давно известны химикам; это сама глюкоза, а также аллоза, альтроза, манноза, гулоза, идоза, галактоза и талоза. Многие из них встречаются в природе, например, D-глюкоза (но не L-глюкоза, которая была получена синтетически).

2. Оптически активные соединения. Номенклатура энантиомеров

2.1 Оптически активные соединения с одним асимметрическим атомом

Рис.1. Энантиомерыбутанола-2

При рассмотрении пространственной модели бутанола-2 (рис.1.) видно, что возможны два различных расположения метила, этила, водорода и гидроксила. Эти структуры (I) и (II) являются взаимными зеркальными отражениями (энантиомерами, оптическими антиподами), не совместимыми друг с другом в пространстве, и, следовательно, самостоятельными соединениями. Химические и физические свойства этих двух форм (I) и (II) одинаковы во всем, за исключением того, что эти формы вращают плоскость поляризации плоскополяризованного света в равной степени, но в противоположных направлениях. Все эти величины в энантиомерах одинаковы. Бутанол-2, образующийся, например, при восстановлении метилэтилкетона, не обладает оптической активностью из-за того, что представляет собой смесь равного числа молекул одного и другого энантиомеров. Такая смесь называется рацемической.

Физические свойства рацемической смеси (растворимость, температура плавления, плотность) иногда отличаются от физических свойств энантиомеров. Это указывает на образование рацемического соединения, или рацемата, имеющего иную кристаллическую структуру, чем чистые энантиомеры. Примером рацемата может служить виноградная кислота. Выделение в чистом виде энантиомеров, входящих в состав рацемической смеси, называют разделением или расщеплением рацемата, а превращение молекул одного оптического антипода (энантиомера) в рацемическую смесь обеих форм называют рацемизацией.

2.2 Оптически активные соединения с несколькими асимметрическими атомами углерода

Рис.2. Стереоизомеры хлоряблочной кислоты

Если в молекуле имеется несколько (n) асимметрических центров, то в общем случае число оптических изомеров будет равно 2ⁿ, но если молекула обладает какими-либо элементами симметрии, то это число может быть меньше. Некоторые из изомеров, относящихся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению и отличающихся только знаком угла вращения, являются оптическими антиподами (энантиомерами), а остальные называютсядиастереомерами. Последние в отличие от энантиомеров обладают различными физическими и химическими свойствами, так как расстояние между атомами или группами атомов в молекулах этих изомеров различно и, следовательно, различно их влияние друг на друга. Так, для хлоряблочной кислоты НООС--СНСl--СН(ОН)--СООН можно написать четыре стереоизомера [(I)--(IV)](рис.2), отличающихся конфигурациями у асимметрических атомов углерода:

Молекулы (I) и (II), а также (III) и (IV) -- энантиомеры (они являются зеркальным отображением друг друга). Однако пары [(I)--(III)]; [(I)--(IV)]; [(II)-(III)]; [(II)--(IV)] - диастереомеры.

Благодаря блестящему мастерству эксперимента Пастер выяснил интересные стереохимические отношения в ряду диокси-янтарных -- винных кислот НООС--CH(OH)--CH(OH)--СООН, имеющих по два асимметрических углеродных атома. В настоящее время известны четыре формы винных кислот(рис.3): (+)-винная, встречающаяся в природе; оптически неактивная виноградная, являющаяся рацематом (+)- и (-)-винных кислот; (-)-винная, полученная при расщеплении виноградной кислоты на антиподы, и оптически неактивная мезовинная кислота.

Рис.3. Стереоизомеры винной кислоты

(+)- и (-)-Винные кислоты -- оптические антиподы (энан-тиомеры), а мезовинная кислота -- их диастереомер.

Так как мезовинная кислота имеет элемент симметрии, а именно плоскость симметрии (обозначенную выше в формулах пунктирной линией), она оптически недеятельна. Это объясняется тем, что обе симметричные части молекулы вращают плоскость поляризованного света в разные стороны, но на один и тот же угол, в результате суммарный эффект оказывается равным нулю. Если мы напишем формально оптический антипод для мезовинной кислоты, то после проведения с ним разрешенной для проекционных формул Фишера операции -- поворота на 180° без вынесения из плоскости чертежа -- получим ту же самую мезовинную кислоту.

Таким образом, мы здесь сталкиваемся со случаем, когда дополнительный элемент симметрии уменьшает теоретически возможное число оптических изомеров вместо четырех (по формуле 2ⁿ) до трех.

2.3 Генетические ряды

Вещества, различные по строению, но имеющие родственную конфигурацию у асимметрического центра, относятся к одному и тому же стереохимическому ряду(D-или L-ряды). Отнесением антиподов кL-или D-рядам целесообразно пользоваться лишь дляcахаров и б-аминокислот. СимволыD(правый) иL(левый) не имеют отношения к знаку вращения. Возможны конфигурации D(-), D(+), L(+) и L(-).

Для оксикарбонильных соединений в качестве моделей сравнения для отнесения оптически активного вещества кD-или L-ряду выбраны соответственно D(+) и L(-)-глицериновый альдегиды (рис.4).

Рис.4. D- иL-глицериновый альдегид и D- и L-рибоза

Если расположение заместителей оксикарбонильного соединения у асимметрического центра, дальнего от карбонильной группы, такое же, как у D-(+)-глицеринового альдегида, то его относят к D-ряду и наоборот, независимо от того, вращает он плоскость поляризации плоскополяризованного света вправо или влево.



2.4 Номенклатура энантиомеров

Способы изображения энантиомеров

Для удобства общения (письменного и устного) между химиками разработана сжатая система изображения и обозначения энантиомеров.

Сначала рассмотрим изображения пространственной структуры молекул на бумаге. Наиболее ясный способ - с помощью пунктира и клиньев. Проиллюстрируем его на примере энантиомеров 2-бром-2иодбутана (рис.5).

Зеркало

Рис. 5 Энантиомеры 2-бром- 2иодбутана

Однако изображение таких формул представляет трудности. Поэтому Эмиль Фишер предложил другой, более простой, способ изображения энантиомеров. Предложенные им формулы получили название проекционных формул Фишера. Это плоские схемы, на которых четыре группы, присоединенные к асимметрическому атому углерода, находятся на концах четырех линий, расположенных под углом 90^? друг к другу. При этом условились считать, что вертикальные линии уходят под плоскость чертежа, а горизонтальные поднимаются над плоскостью. Хиральный атом углерода лежит в плоскости чертежа на пересечении линий(рис.6).

Рис.6. Проекционные формулы Фишера (на примере 1-бром-1хлорэтана и 2-бром-2-йодбутана)

Обозначение абсолютной конфигурации (R,S-номенклатура)

Теперь обратимся к системе обозначения энантиомеров. Абсолютная конфигурация, т.е. пространственное расположение атомов и групп вокруг хирального центра, может быть обозначена с помощью системы Кана-Ингольда-Прелога. Правила этой системы поясним на примере1-бром-1-хлорэтана, проекционная формула Фишера которого показана выше.

1. Прежде всего необходимо определить порядок старшинства групп, соединенных с хиральным центром.

a) Атом, имеющий наибольший атомный номер, считается самым старшим и получает условный номер 1 (речь идет об атомах непосредственно связанных с асимметрическим атомом углерода). Атом, имеющий второй по величине атомный номер, считается вторым по старшинству (номер 2) и т.д. порядок старшинства для атомов Br, C, Cl, H таков:

Атом	Br	Cl	C	H
Атомный номер	35	17	6	1
Номер по старшинству	1	2	3	4

b) Если две группы присоединены к хиральному центру через атомы одного и того же элемента, то для определения старшинства этих групп следует сделать еще один шаг, удаляясь от хирального атома, и сравнить атомные номера второго слоя атомов этих группах. Старшей считается та группа, которая имеет во втором слое атом с более высоким атомным номером.

c) Если группа, старшинство которой надлежит установить, содержит двойные или тройные связи, то атомы, связанные двойной связью, считаются за два, а связанные с тройной связью,- за три. Например, считают, что в группе С=О к атому углерода присоединено два атома кислорода, а атом кислорода связан с двумя атомами углерода:

После того как старшинство заместителей установлено, хиральную молекулу следует ориентировать в пространстве так, чтобы младший из заместителей (номер4) оказался в положении, максимально удаленным от наблюдателя. При этом три старшие группы (номер 1,2,3) окажутся направленными на наблюдателя. Теперь необходимо нарисовать изогнутую стрелку, идущую то старшего заместителя ко второму и затем к третьему ( в направлении убывания старшинства заместителей). Если старшинство убывает по часовой стрелке, энантиомер называют R-изомером, если против часовой стрелки - S-изомером (от латинских слов rectus - правый и sinister - левый).

Рис.7.Абсолютная конфигурация (на примере S- энантиомера 1-бром-1-хлорэтана)

На рис.7 изображен S- энантиомер 1-бром-1-хлорэтана. Младшая группа (атом водорода) ориентирована от наблюдателя. Переход от старшей группы ко второй и третьей происходит против часовой стрелки.

Значительно проще определить абсолютную конфигурацию, исходя из проекционной формулы Фишера. При этом не требуется никакого пространственного воображения. Если младший заместитель находится в формуле Фишера вверху или внизу - значит, он уже ориентирован на наблюдателя. В этом случае следует просто изобразить стрелку в направлении от старшего заместителя ко второму и третьему. Если это направление по часовой стрелке - это S-изомер. Если же младший заместитель расположен в формуле Фишера справа или слева - значит, он направлен на наблюдателя. Это означает, что на молекулу следует посмотреть с другой стороны листа бумаги, на котором изображена формула. Однако вместо того чтобы пытаться представить себе, как выглядит формула с противоположной стороны, можно просто проделать обычную процедуру, а в самом конце результат на противоположный. Например, если младший заместитель находится справа, а направление 1 2 3 совпадает с направлением по часовой стрелке, значит, формула Фишера изображает S-изомер. Этот метод работает, поскольку то, что вращается по часовой стрелке, если смотреть спереди, окажется вращающимся против часовой стрелки, если смотреть сзади. Чтобы убедиться в этом, можно понаблюдать за лопастями вентилятора или любым другим вращающимся объектом.

Последовательность обозначения абсолютной конфигурации

Ниже приводится рекомендуемая последовательность шагов, необходимых для обозначения конфигурации методом Кана-Ингольда-Прелога.

1. Переведите формулу в проекцию Фишера.

2. Определите старшинство атомов и групп, присоединенных к хиральному центру.

3. Изобразите стрелку в направлении 1 2 3.

4. Если младший заместитель в формуле Фишера справа или слева, измените направление стрелки на противоположное.

5. Если направление стрелки совпадает с направлением движения стрелки часов, значит, перед Вами R-изомер. В противном случае это S-изомер.

Обозначение относительной конфигурации(D,L - номенклатура)

Более старый метод обозначения конфигурации основан на использовании глицеринового альдегида (рис.8) - стандартного соединения, выбранного в качестве ключа.

Рис.8. Энантиомеры глицеринового альдегида

Правовращающий изомер глицеринового альдегида назвали D-изомером, левовращающий- L-изомером. При этомD-изомер имеет R-конфигурацию, а L-изомер - S-конфигурацию.

D,L-Номенклатура основана на сравнении обсуждаемого соединения с глицериновым альдегидом. Соединение, имеющее такое же расположение заместителей у хирального центра, как D-глицериновый альдегид, называется D-изомером, независимо от знака оптического вращения соединения и от того, является R- или S-изомером. Эта система номенклатуры до сих пор еще применяется в названиях многих медицинских и биологически активных препаратов. Кроме того, D,L-номенклатуру часто используют для обозначения конфигурации сахаров и аминокислот. На рис.9 показаны структуры D-глюкозы и L-аланина:

Вторая глава

Пространственное строение основных классов природных соединений и влияние энантиомеров на биологические и физиологические процессы в организме

Неразличимые по своим обычным физическим и химическим свойствам энантиомеры зачастую резко отличаются друг от друга по физиологическому действию. Так, присутствующий в табаке левовращающий никотин в несколько раз более ядовит, чем правовращающий. Энантиомеры аминокислот имеют различный вкус. Так, природные аминокислоты L-аспарагин и L-триптофан безвкусны, L-лейцин и L-тирозин имеют горький вкус, тогда как их неприродные D-изомеры обладают сладким вкусом.

Природная L-глутаминовая кислота употребляется как вкусовая добавка в пищевых концентратах; D-глутаминовая кислота безвкусна. Различаются по вкусу и аномеры D-маннозы:б- форма имеет сладкий вкус, в - форма -- горький.

Различным физиологическим действием обладают энантиомеры ряда соединений, используемых в качестве лекарственных препаратов. Так, (-)-адреналин проявляет более сильное гормональное действие; только одна из пространственных форм хлоромицетина -- левовращающий треоизомер -- является активным антибиотиком; лишь (-)-сарколизин активен при лечении некоторых видов опухолей; (+)-изопропилнорадреналин обладает в 800 раз более сильным бронхорасширяющим действием, чем (-)-изомер; полученный синтетически антипод природного (-)-морфина не обладает болеутоляющим действием. (-)-5-(1,3-Диметилбутил)-5-этилбарбитуровая кислота (рис.10) проявляет обычное для барбитуратов успокаивающее действие, в то время как (+) -антипод вызывает конвульсии. Опасным действием (недоразвитие конечностей у новорожденных) обладает (S) -(-)-антипод (рис.10), входивший в состав широко известного в свое время за рубежом успокаивающего препарата талидомида.

Рис.10. (-)-5-(1,3-Диметилбутил)-5-этилбарбитуровая кислота (слева) и его (S)-(-)-антипод

Очень высока стереоспецифичность биологического действия феромонов. Так, из четырех стереоизомеров 4,8-диметилдеканаля активна только 4(R),8(R)-(-)-форма, у так называемой мегатомовой кислоты (рис.11) только 3 (Е) ,5 (Z)-форма.

Рис.11.Мегатомовая кислоты

Активность регуляторов роста растений также зачастую связана с их пространственным строением. Так, (+)-б-(индолил-3) пропионовая кислота (рис.12) в 30 раз активнее (--)-изомера; цис-коричная кислота способна ускорять рост растений, в то время как транс-коричная кислота в этом отношении неактивна.

Рис.12.(+)-б-(индолил-3)-пропионовая кислота

У оптических антиподов отмечены также различия в запахе; так, например, один из изомеров карвона (рис.13) имеет запах тмина, другой (рис.13) -- запах мяты.

Рис.13 Энантиомеры карвона (слева-запах тмина, справа - запах мяты)

Приведенные примеры, как и многие другие, свидетельствуют о том, что тонкие особенности строения органических соединений, обнаруживающиеся, в частности, в виде такого специфического и "отвлеченного" свойства, как оптическое вращение, имеют большое значение для биохимических процессов. Дело здесь, конечно, не в том, что живые организмы по-разному реагируют на само правое или левое вращение; оно служит только признаком, приметой, позволяющей отличить один антипод от другого. Подлинной же причиной различия физиологического действия является различие пространственного строения -- конфигурации.

Считают, что различное физиологическое действие энантиомеров может объясняться тремя причинами.

1. +)- и (-)-энантиомеры могут по-разному распределяться в тканях живых организмов. Например, (+)-миндальная и (+)-нафтилуксусная кислоты адсорбируются шерстью и казеином сильнее, чем их оптические антиподы. Известны специфические мембранные системы, проницаемые только для L-б-аминокислот, в результате чего концентрация этих аминокислот внутри клеток повышается примерно в 500 раз.

2.Энантиомеры могут обладать различным сродством к "рецептору" (т. е. к веществу, на которое они действуют в организме). Такое различие возникает в результате того, что для асимметричных структур небезразлично, с каким из оптических антиподов они взаимодействуют. Различия в скоростях образования диастереомеров хорошо известны и в химических реакциях.

3.Комплексы, образуемые (+)- и (-)-энантиомерами с рецептором, могут иметь разные свойства.

Причина стереоспецифичности биологического действия в конечном итоге заключается в том, что живые организмы сами построены из оптически активного, асимметричного материала. Образную аналогию этому явлению дал в свое время еще Л. Пастер: если ввинчивать винт в доску с прямыми волокнами, то "антиподные" винты (с правой или левой нарезкой) будут входить в доску с одинаковой легкостью; если же винт ввинчивается в отверстие, которое само уже имеет нарезку, то это удастся сделать лишь в том случае, если направления обеих нарезок соответствуют друг другу.

Впоследствии от таких общих соображений перешли к изучению механизма биологического действия конкретных препаратов. В качестве примера рассмотрим действие болеутоляющих веществ (анальгетиков) -- морфина и его заменителей. Жесткость молекулы морфина позволила создать предположительную модель рецептора -- участка, с которым взаимодействует морфин, а затем определить и необходимую для проявления болеутоляющего действия геометрию молекул анальгетиков (рис.14).

Рис.14. Соответствие геометрии молекул анальгетиков и модели рецептора: а-плоский участок рецептора; б-углубление; в-центр фиксации заряда; г-место для анионной группы

Однако в начале 80-х годов было обнаружено, что конформация молекулы морфина в растворе отличается от конформации в кристаллическом состоянии, на основе которой строилась модель, что заставило усомниться в правильности предложенной модели.

Благодаря высокой эффективности и избирательности действия ферментов их можно использовать для проведения многих важных химических превращений. На ферментативных процессах основаны такие отрасли промышленности, как получение спирта путем брожения сахаристых веществ, получение молочной кислоты, ацетона, бутилового спирта и многих других продуктов. Микробиологическим путем углеводороды нефти перерабатывают в белковую массу, пригодную для корма скоту.

В последние десятилетия наряду с этими, так сказать, "грубыми" процессами, приводящими к получению простых органических соединений, приобретают все большее значение тонкие превращения, осуществляемые микробиологическим путем; это синтезы витаминов, гормонов, антибиотиков. Как пример можно привести синтезы оптически активных соединений при участии никотинамидных ферментов. Усовершенствованный вариант подобных синтезов заключается в сопряжении микробиологического и электрохимического процессов.



3. Пространственное строение аминокислот и их влияние

В количественном отношении белки занимают первое место среди всех содержащихся в живой клетке макромолекул; на их долю приходится не менее половины сухого веса клетки. Белки присутствуют во всех клетках, причем их можно найти в любой части клетки. Велико также и разнообразие белков; в одной клетке можно обнаружить сотни различных видов этих макромолекул. Белки выполняют многообразные биологические функции, поскольку они служат молекулярными инструментами, с помощью которых генетическая информация находит свое реальное воплощение.

Ключ к пониманию структуры любого из всех этих тысяч различных белков дает небольшая группа довольно простых молекул, играющих роль строительных блоков. Для построения всех белков, будь то белки из самых древних линий бактерий или из высших организмов, используется один и тот же набор из 20 различных аминокислот, ковалентно связанных друг с другом в определенной, характерной только для данного белка последовательности. Каждая аминокислота благодаря специфическим особенностям ее боковой цепи наделена химической индивидуальностью, поэтому всю эту группу из 20 аминокислот можно рассматривать как алфавит "языка" белковой структуры.

Поистине замечательное свойство клеток - это их способность соединять 20 аминокислот в различных комбинациях и последовательностях, в результате чего образуются пептиды и белки, обладающие совершенно разными свойствами и биологической активностью.

В процессе биосинтеза присоединение белковой молекулы каждого последующего аминокислотного остатка осуществляется при участии молекулы т-РНК, которая образует комплекс с аминокислотным остатком.

РНК содержат углевод D-рибозу.

При образовании комплекса в процессе участвует L-аминокислота и D-рибоза, и за чистотой этих компонентов следит особый фермент.

Из одних и тех же строительных блоков разные организмы способны вырабатывать такие разнообразные продукты, как ферменты, гормоны, белок хрусталика глаза, перья, паутина, панцирь черепахи белки молока, энкефалины (наркотики, вырабатываемые самим организмом), антибиотики, ядовитые вещества грибов и многие другие соединения, наделенные специфической биологической активностью.

3.1 Строение аминокислот

Принцип построения б - аминокислот, т. е. нахождение у одного и того же атома углерода двух различных функциональных групп, радикала и атома водорода, уже сам по себе предопределяет хиральность б-углеродного атома. Исключение составляет простейшая а-аминокислота глицин NH₂CH₂COOH, не имеющая углеводородного радикала R и соответственно, центра хиральности.

Относительная конфигурация б-аминокислот определяется, как и у гидроксикислот, по конфигурационному стандарту -- глицериновому альдегиду -- с использованием "гидроксикислотного" ключа. Расположение в проекционной формуле Фишера аминогруппы слева (как ОН-группы в L-глицериновом альдегиде) соответствует L-конфигурации, справа-- D-конфигурации хирального атома углерода. По R, S-системе обозначений б-углеродный атом у всех б-аминокислот L-ряда имеет S-, а у D-ряда -- R-конфигурацию (исключение составляет цистеин).

Большинство б-аминокислот содержит один асимметрический атом углерода и существует в виде двух оптически активных энантиомеров и одного оптически неактивного рацемата. Почти все природные б-аминокислоты принадлежат к L-ряду.

б-Аминокислоты -- изолейцин, треонин. 4 -гидроксипролин содержат по два центра хиральности.

Эти аминокислоты могут существовать в виде четырех диастереомеров, представляющих собой две пары энантиомеров, каждая из которых образует рацемат. Из четырех стереоизомеров для построения белков человеческого организма используется только один.

Два центра хиральности содержатся и в молекуле цистина, но число стереоизомеров у него равно трем из-за наличия плоскости симметрии. Мезоформацистина оптически неактивна.

Рис.16 Энантиомеры цистина.



3.2 б-Аминокислоты, входящие в состав белков

Использование для построения белков человеческого организма только одного вида стереоизомеров б-аминокислот, а именно L-энантиомеров, имеет важнейшее значение для формирования пространственной структуры белков. С этим непосредственно связана стереоспецифичность действия ферментов. Макромолекулы ферментов, построенные из б-аминокислот, т. е. хирального материала, в целом являются хиральными и поэтому вступают во взаимодействие только с теми субстратами, которые также имеют определенную конфигурацию.

б-Аминокислоты D-ряда называют иногда "неприродными", так как они не используются для построения белков человеческого организма. D-б-аминокислоты встречаются во многих природных пептидах, продуцируемых микроорганизмами, например в антибиотиках (грамицидин, актиномицин, полимиксин), а также в составе биополимеров клеточной стенки бактерий, например остаток D-глутаминовой кислоты -- в оболочке бактерий сибирской язвы.

Против этого вида бактерий бессильны расщепляющие ферменты человека и животных.

Рис.15. Примеры аминокислот

б-Аминокислоты, относящиеся к разным стереохимическим рядам, различаются по вкусу. Например, D-глутаминовая кислота безвкусна, а L-глутаминовая кислота имеет вкус мяса. Поэтому L-глутаминовую кислоту, получаемую при гидролизе клейковины пшеницы, применяют в виде глутамата натрия как вкусовую добавку к пищевым концентратам. Сладкий вкус имеют, как правило, изомеры D-ряда: валин, лейцин, треонин, метионин, аспарагиновая кислота, тирозин, триптофан, гистидин. Их энантиомеры либо безвкусны, либо обладают горьким вкусом. Из изомеров L-ряда сладкими являются аланин, серин, пролин. В этом отношении б-аминокислоты привлекают серьезное внимание как возможные заменители сладких веществ углеводной природы в связи с проблемой диабета. В настоящее время в промышленном масштабе выпускается пищевое вещество аспартам, обладающее почти в 200 раз более сладким вкусом, чем сахароза, и имеющее аминокислотную природу. Аспартам (рис.16) -- дипептид, состоящий из остатков L-аспарагиновой кислоты и метилового эфира L-фенилаланина.

3.3 б-Аминокислоты, входящие в состав белков

Одноосновные моноаминокислоты.

L(+)-Аланин СН₃--C^*H(NH₂)--СООН (б-аминопропионоваякислота,2-аминопропионовая кислота). L(+)-Алании получается при гидролизе фиброина шелка; незначительные количества его образуются при гидролизе многих белковых веществ.

L(+)-Валин (б-аминоизовалериановая кислота) в значительных количествах содержится в белках: казеине, гемоглобине и альбуминах. При брожении сырья, содержащего углеводы, имеющийся в нем валин дает изобутиловый спирт:

Такими реакциями объясняется образование большей части спиртов сивушного масла при спиртовом брожении.

L(+)-Лейцин (б-аминоизокапроновая кислота)

содержится в значительных количествах в продуктах гидролиза большинства белковых веществ, например гемоглобина крови, казеина, яичного альбумина.

L(+)-Изолейцин (2-амино-З-метилпентановая кислота)

С₂Н₅--СН--CH(NH₂)--СООН

СН3

был найден в свекловичной патоке как примесь к лейцину. Вместе с лейцином он входит в состав большинства белков.

Двухосновные моноаминокислоты.

В молекулах L(-)-аспарагиновой (б-аминоянтарной) и L(+)-глутаминовой (б-аминоглутаровой) кислот

HOOC-CH₂-C^*H(NH₂)-COOH HOOC-CH₂-CH₂-C^*H(NH₂)-COOH

Аспарагиновая кислота Глутаминовая кислота

cодержатся два карбоксила и одна аминогруппа; в отличие от одноосновных моноаминокислот они обладают ярко выраженной кислой реакцией. Неполными амидами этих кислот являются встречающиеся в растениях L(-)-аспарагин и L(+)-глутамин:

H₂N-CO-CH₂-C^*H(NH₂)-COOH Аспарагин

H₂N-CO-CH₂-CH₂-C^*H(NH₂)-COOH Глутамин

Наибольшее количество этих аминокислот содержится в покровных белках: коллагене, фибриногене.

Одноосновные диаминокислоты.

ОдноосновныедиаминокислотыL(+)-лизин (б,е-диаминокапроновая кислота) и L(+)-аргинин

H₂N-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-C^*H-(NH₂)-COOH Лизин

Аргинин

обладают резко выраженными основными свойствами и входят в состав большинства белков. Под действием фермента аргиназы или при кислом гидролизе аргинин может превращаться в орнитин (б, д-диаминовалериановую кислоту) и мочевину:

H₂N-CH₂-CH₂-CH₂-C^*H(NH₂)COOH Орнитин

Оксиаминокислоты.

L(-)-Серин (в-оксиаланин) в больших количествах содержится в белке шелка. L(-)-Треонин (в-окси-б-аминомасляная кислота) был выделен впервые из гусиных перьев. Он имеет два асимметрических углеродных атома:

HOCH₂C^*H(NH₂)COOHСерин

CH₃C^*H(OH)C^*H(NH₂)COOHТреонин



Серосодержащие аминокислоты.

L(-)-Цистеин (в-меркаптоаланин) при окислении легко превращается в L(-)-цистин:

Восстановление цистина до цистеина проходит так же легко.

Легко образующиеся при окислении меркалтогруппди-сульфидные мостики играют важную роль в образовании третичной структуры белков .

Цистин в больших количествах содержится в белках покровных тканей (рог, шерсть, волос).

L(-)-Метионин CH₃SCH₂CH₂CH(NH₂)COOH (г-метилтио-б-аминомасляная кислота) выполняет в живых организмах функцию метилирующего агента. В заметных количествах содержится в яичном альбумине.

Ароматические аминокислоты.

L(-)-Фенилаланин и L(-)-тирозин содержатся почти во всех белках.

C₆H₅CH₂C^*H(NH₂)COOH n-HOC₆H₄CH₂C^*H(NH₂)--СООН

фенилаланин тирозин

Гетероциклические аминокислоты.

К ним относятся производные пирролидина: L(-)-пролин и L(-)-оксипролин:

производное индола -- L(-)-триптофан и производное имидазола -- L(-)-гистидин:

Довольно много гетероциклических б-аминокислот содержится в белках крови.

3.4 Конфигурационный контроль

Известно, что во всех живых организмах синтезируются только белковые молекулы, состоящие из последовательности L-аминокислотных остатков.

Ферментные системы организма, "ответственные" за синтез соответствующих аминокислот, синтезируют только одну их конфигурацию-L. Э.Фишер сначала предполагал, что в организме, также как и в процессах химического синтеза, производятся рацематы и лишь затем происходит разложение одного из стереоизомеров, нотакой способ получения оптически чистых веществ для организма не выгоден: половина материала пропадает впустую.

Заблуждение Фишера было недолгим: специально предпринятые исследования показали, что в подавляющем большинстве случаев никаких следов сопутствующих изомеров "неестественной" конфигурации найти не удалось. И Фишер приходит к верному заключению: "Одна активная молекула рождает другую. Это представление дает, как мне кажется, простое разрешение загадки естественного асимметрического синтеза".

Итак, стереосиецифичные ферменты могут "рождать" асимметричные молекулы. Каким образом эта их способность используется для контроля синтеза белков? поляриметр изомерия углевод аминокислота

Все организмы имеют тот или иной механизм поддержания "оптической чистоты" аминокислот, и контроля за включением в синтез белков только аминокислот L-конфигурации. Схема последнего механизма такова. Присоединение в процессе синтеза белковой молекулы каждого последующего аминокислотного остатка осуществляется при участии молекулы т-РНК, которая образует комплекс с аминокислотным остатком.

Контролирует образование комплекса специальный фермент; он-то и оказывается основным инструментом контроля "оптической чистоты" аминокислот, вовлекаемых в синтез белка. Этот фермент катализирует реакцию образования комплекса т-РНК лишь c- аминокислотами, имеющими L-конфигурацию.

Помимо этого, в организме многих животных, а также ряда бактерий и грибов присутствует специальный фермент, "истребляющий" D-аминокислоты- так называемая оксидаза D-аминокислот. Ее действие основано на окислении молекул D-аминокислот до соответствующей кетокислоты (симметричное соединение) при этом выделяется аммиак.

С учетом того, что во всех организмах существуют ферментные системы, способные синтезировать L-аминокислоты на основе кетокислот таким образом opганизм не только избавляется от ненужных ему (и даже зачастую вредных) аминокислот нежелательной конфигурации, но и преобразует их в необходимые ему L-аминокислоты. Это явление называется cтрeонатурализацией.

Известно, что большая часть аминокислот, происходит из белков, содержащихся в юнце. Находящиеся в желудочном соке расщепляют белки на аминокислоты, которые, конечно же, имеют левую конфигурацию. Поглощающие клетки кишечника функционируют таким образом, чтобы "отсевать" значительную часть нежелательного D- изомера. А то, что этот барьер не является абсолютно непроницаемым для D-аминокислот, может иметь некоторые положительные стороны: в исключительных условиях, когда в пище мало L-аминокислот, но много D-изомеров, можно будет пустить их в дело.

Существует и другой путь, связанный с деятельностью желудочных и кишечных микроорганизмов. Известно, что микрофлора пищеварительного тракта оказывает очень сильное влияние на процессы усвоения животными из пищи. Ряду микроорганизмов присущи ферменты особого вида. Эти ферменты способны рацемизировать отдельные аминокислоты: если в среде концентрация одного из стереоизомеров оказывается большей, деятельность такого фермента - рацемазы - направлена на выравнивание концентрации обоих изомеров. Этот фермент с равной легкостью катализирует перестройки типа L D и D L.

Существование таких ферментов у микроорганизмов пищеварительного тракта подсказывает еще один путь усвоения D-аминокислот: рацемизация их микрофлорой и последующее поглощение L-изомеров кишечником.

Рассмотренная система поддержания оптической чистоты аминокислот характерна для высших животных. Несомненно, многие ее элементы отсутствуют у растений, низших животных, микроорганизмов. И тем не менее, с помощью ферментов, обладающих высокой стереоспецифичностью, все эти организмы разными путями обеспечивают включение в белковый синтез только L- аминокислот.