ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

В. Н. Леонтьев, О. С. Игнатовец

 

 

ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ

АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Электронный курс лекций

Для студентов специальности 1-48 02 01

«Биотехнология»

 

Минск 2013

 

УДК	577.1 (075.8); 615.011.5
ББК	22.239я73; 52.81я73
Л	в библ.

 

 

Расcмотрен и рекомендован редакционно-издательским советом университета.

 

 

Рецензенты:

заведующий лабораторией НИИ ФХП БГУ

доктор биологических наук, профессор В. М. Шкуматов;

заместитель генерального директора по вопросам

инновационного развития РУП «Белмедпрепараты»

кандидат технических наук Т. В. Трухачева

Леонтьев, В. Н.

    Электронный курс текстов лекций посвящен структурно-функциональным особенностям и химическим свойствам основных…

АМИНОКИСЛОТЫ, ИХ СВОЙСТВА

     

Таблица 1

 

Номенклатура, молекулярная масса и значения pK аминокислот

 

Аминокислота	Обозначение	Молеку-лярная масса	pK1 (a−СООН)	pK2 (a−NH3+)	pKR (R-группы)
Глицин	Gly G		2,34	9,60	−
Аланин	Ala A		2,34	9,69	−
Валин	Val V		2,32	9,62	−
Лейцин	Leu L		2,36	9,60	−
Изолейцин	Ile I		2,36	9,68	−
Пролин	Pro P		1,99	10,96	−
Фенилаланин	Phe F		1,83	9,13	−
Тирозин	Tyr Y		2,20	9,11	10,07
Триптофан	Trp W		2,38	9,39	−
Серин	Ser S		2,21	9,15	13,60
Треонин	Thr T		2,11	9,62	13,60
Цистеин	Cys C		1,96	10,78	10,28
Метионин	Met M		2,28	9,21	−
Аспарагин	Asn N		2,02	8,80	−
Глутамин	Gln Q		2,17	9,13	−
Аспартат	Asp D		1,88	9,60	3,65
Глутамат	Glu E		2,19	9,67	4,25
Лизин	Lys K		2,18	8,95	10,53
Аргинин	Arg R		2,17	9,04	12,48
Гистидин	His H		1,82	9,17	6,00

 

Аминокислоты различаются по растворимости в воде. Это связано с их цвиттерионным характером, а также со способностью радикалов взаимодействовать с водой (гидратироваться). К гидрофильным относятся радикалы, содержащие катионные, анионные и полярные незаряженные функциональные группы. К гидрофобным – радикалы, содержащие алкильные или арильные группы.

В зависимости от полярности R-групп выделяют четыре класса аминокислот: неполярные, полярные незаряженные, отрицательно заряженные и положительно заряженные.

К неполярным аминокислотам относятся: глицин; аминокислоты с алкильными и арильными боковыми цепями – аланин, валин, лейцин, изолейцин; тирозин, триптофан, фенилаланин; иминокислота – пролин. Они стремятся попасть в гидрофобное окружение «внутри» молекулы белка (рис.1).

 

 

 

Рис. 1. Неполярные аминокислоты

 

К полярным заряженным аминокислотам относятся: положительно заряженные аминокислоты – гистидин, лизин, аргинин (рис. 2); отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислота (рис. 3). Они обычно выступают наружу, в водное окружение белка.

Остальные аминокислоты образуют категорию полярных незаряженных: серин и треонин (аминокислоты-спирты); аспарагин и глутамин (амиды аспарагиновой и глутаминовой кислот); цистеин и метионин (серосодержащие аминокислоты).

Поскольку при нейтральном значении рН СООН-группы глутаминовой и аспарагиновой кислот полностью диссоциированы, их принято называть глутаматом и аспартатом независимо от природы присутствующих в среде катионов.

В ряде белков содержатся особые аминокислоты, образующиеся путем модификации обычных аминокислот после их включения в полипептидную цепь, например, 4-гидроксипролин, фосфосерин, g-карбоксиглутаминовая кислота и др.

 

 

Рис. 2. Аминокислоты с заряженными боковыми группами

 

Все аминокислоты, образующиеся при гидролизе белков в достаточно мягких условиях, обнаруживают оптическую активность, т. е. способность вращать плоскость поляризованного света (за исключением глицина).

 

Рис. 3. Аминокислоты с заряженными боковыми группами

 

Оптической активностью обладают все соединения, способные существовать в двух стереоизомерных формах L- и D-изомеры (рис. 4). В состав белков входят только L-аминокислоты.

 

 

L-аланин D-аланин

 

Рис. 4. Оптические изомеры аланина

Глицин не имеет асимметрического атома углерода, а треонин и изолейцин содержат по два асимметрических атома углерода. Все остальные аминокислоты имеют один асимметрический атом углерода.

Оптически неактивная форма аминокислоты называется рацематом, представляющим собой эквимолярную смесь D- и L-изомеров, и обозначается символом DL-.

Мономеры аминокислот, входящих в состав полипептидов, называются аминокислотными остатками. Остатки аминокислот соединяются друг с другом пептидной связью (рис. 5), в формировании которой принимает участие a-карбоксильная группа одной аминокислоты и α-аминогруппа другой.

 

Рис. 5. Образование пептидной связи

 

Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону образования свободных аминокислот, а не пептида. Поэтому биосинтез полипептидов требует катализа и затрат энергии.

Поскольку дипептид содержит реакционноспособные карбоксильную и аминогруппу, то к нему с помощью новых пептидных связей могут присоединяться другие аминокислотные остатки, в результате образуется полипептид – белок.

Полипептидная цепь состоит из регулярно повторяющихся участков – групп -NH-CHR-CO-, образующих основную цепь (скелет или остов молекулы), и вариабельной части, включающей характерные боковые цепи. R-группы аминокислотных остатков выступают из пептидного остова и формируют в значительной степени поверхность полимера, определяя многие физические и химические свойства белков. Свободное вращение в пептидном остове возможно между атомом азота пептидной группы и соседним a-углеродным атомом, а также между a-углеродным атомом и углеродом карбонильной группы. Благодаря этому линейная структура может приобретать более сложную пространственную конформацию.

Аминокислотный остаток, имеющий свободную a-аминогруппу, называется N-концевым, а имеющий свободную a-карбоксильную группу – С-концевым.

Структуру пептидов принято изображать с N-конца.

Иногда концевые a-амино- и a-карбоксильная группы связываются одна с другой, образуя циклические пептиды.

Пептиды различаются количеством аминокислот, аминокислотным составом и порядком соединения аминокислот.

Пептидные связи очень прочные, и для их химического гидролиза требуются жесткие условия: высокие температура и давление, кислая среда и длительное время.

В живой клетке пептидные связи могут разрываться с помощью протеолитических ферментов, называемых протеазами, или пептидгидролазами.

Так же, как и аминокислоты, белки являются амфотерными соединениями и в водных растворах заряжены. Для каждого белка существует своя изоэлектрическая точка – значение рН, при котором положительные и отрицательные заряды белка полностью скомпенсированы и суммарный заряд молекулы равен нулю. При значениях рН выше изоэлектрической точки белок несет отрицательный заряд, а при значениях рН ниже изоэлектрической точки – положительный.

СЕКВЕНАТОРЫ. СТРАТЕГИЯ И ТАКТИКА АНАЛИЗА ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ

Принципиально первичную структуру белков можно определять путем непосредственного анализа аминокислотной последовательности или путем расшифровки… Собственно секвенирование на его сегодняшнем уровне позволяет определить… Таким образом, определение первичной последовательности белка сводится к следующим основным этапам:

Фрагментация полипептидной цепи.

В распоряжении исследователей имеется также большой набор менее специфичных протеолитических ферментов (пепсин, эластаза, субтилизин, папаин,… Химические методы. 1) среди химических методов фрагментации белков наиболее специфичным и чаще всего применяемым является расщепление…

ЗАЩИТНЫЕ ГРУППЫ В ПЕПТИДНОМ СИНТЕЗЕ

Защитные группы, используемые в синтезе пептидов, должны удовлетворять следующим условиям: – полностью блокировать соответствующую группировку от участия в проводимых… – быть устойчивыми в ходе удаления других защитных групп;

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ

Хлорангидридный метод. Хлорангидридный метод в настоящее время применяется редко, так как сопровождается рацемизацией и образованием побочных… Азидный метод. Метод Т. Курциуса находит широкое применение в синтезе… Метод смешанных ангидридов. Симметричные ангидриды ациламинокислот легко получаются обработкой последних…

ХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ И ПЕПТИДОВ

В зависимости от решаемых задач и применяемых методов принято различать следующие типы химической модификации белков и пептидов: 1) замена одного или нескольких аминокислотных остатков на другие и получение… 2) модификация отдельных аминокислотных остатков с помощью селективных химических реагентов. Специфичность реакции…

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПЕПТИДОВ

Функции пептидов зависят от их первичной структуры. Изменение в аминокислотном составе пептидов часто приводит к потере одних и возникновению других… Так как пептиды – мощные регуляторы биологических процессов, их можно… Открытые и изученные в настоящее время пептиды можно разделить на группы по их основному физиологическому действию: …

АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ И ФАКТОРЫ, НА НЕЕ ВЛИЯЮЩИЕ. ПРИНЦИПЫ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ КИНЕТИКИ

Часто ферментные препараты характеризуются удельной активностью, которая отражает степень очистки фермента. Удельная активность – это число единиц… Молекулярная активность (число оборотов фермента) – число молекул субстрата,… Когда известно количество активных центров в молекуле фермента, вводится понятие активности каталитического центра.…

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОСАХАРИДОВ

• Окисление моносахаридов: – биологическое окисление до этилового спирта; – получение альдоновых кислот. Под действием молекулярных брома, хлора, йода при рН=5 альдозы окисляются до…

ГЛИКОЗИДНАЯ СВЯЗЬ И ОЛИГОСАХАРИДЫ

В молекулах олиго- и полисахаридов моносахаридные звенья соединены между собой гликозидной связью, в образовании которой участвуют полуацетальный… Для обозначения гликозидной связи необходимо указывать положение гидроксила…  

ПОЛИСАХАРИДЫ

В природе углеводы встречаются в основном в форме полисахаридов. Они представляют собой длинные полимерные цепочки, которые построены из остатков… Полисахариды различаются также по типу гликозидной связи, молекулярной массе и… Большинство полисахаридов имеют тривиальные названия, связанные с источником, из которого они были выделены, например…

МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И АНАЛИЗА ПОЛИСАХАРИДОВ

Природные полисахариды очень разнообразны по своей структуре, поэтому не существует единых подходов к их выделению из биологического материала.… Эндогенные полисахариды (резервные и структурные) выделяют из биологического… Определение структуры полисахаридов является достаточно сложной задачей. Для выделения полисахарида высокой степени…

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИПИДОВ

По полярности различают неполярные и полярные липиды. Такое разделение основано на их растворимости в органических растворителях различной полярности. К неполярным липидам относятся свободные жирные кислоты и их эфиры, моно-, ди- и триацилглицерины, стеролы, воски, углеводороды, которые растворяются в неполярных растворителях (гексане, бензине, диэтиловом эфире). К полярным липидам относятся фосфо- и гликолипиды, растворимые в полярных и протонных растворителях (ацетоне и этаноле).

По взаимодействию со щелочами липиды разделяют на омыляемые и неомыляемые. Омыляемые при взаимодействии со щелочами гидролизуются с отщеплением жирных кислот и образуют соли высших жирных кислот – мыла. К ним относятся триацилглицерины, воски, фосфо- и гликолипиды. Неомыляемые липиды не содержат жирнокислотных остатков, поэтому при взаимодействии со щелочами не гидролизуются и не образуют мыл. К ним относятся стеролы, терпеноиды, каротиноиды, жирорастворимые витамины и провитамины.

Омыляемые липиды, в свою очередь, делят на простые и сложные. Простые липиды состоят только из остатков жирных кислот и 1-, 2- или 3-атомных спиртов, образующих сложные эфиры. Это триацилглицерины и воски (эфиры высших жирных кислот и одноатомных спиртов). Сложные липиды представляют собой сложные эфиры жирных кислот и спиртов с замещенными группами. Это фосфо- и гликолипиды.

Жирные кислоты.Это алифатические карбоновые кислоты с числом углеродных атомов С4–С22. Они входят в состав омыляемых липидов, являются одним из основных источников энергии в клетке («топливные молекулы»). Жирные кислоты могут быть насыщенными и ненасыщенными, содержащими одну или несколько двойных связей (тройные связи встречаются редко). Следовательно, жирные кислоты различаются длиной углеводородной цепи, числом и положением двойных связей. Как видно из табл. 1, температура плавления жирных кислот повышается с увеличением длины углеводородной цепи.

Жирные кислоты, входящие состав липидов высших растений и животных, как правило, содержат четное число углеродных атомов (12–22), что связано со способом их синтеза с участием 2-углеродного предшественника ацетил-СоА, и являются неразветвленными. Среди них чаще всего встречаются жирные кислоты с 16 и 18 углеродными атомами. Жирные кислоты, содержащие 18 атомов углерода (с двумя двойными связями и более), не синтезируются в животном организме и называются незаменимыми (эссенциальными), или витаминами F. Поэтому они должны обязательно присутствовать в пище. Состав и свойства жирных кислот сведены в таблице 2.

Таблица 2

Состав и свойства жирных кислот

Кислоты	Число атомов углерода: число двойных связей, положение двойных связей	Температура плавления, °С
Насыщенные жирные кислоты
Масляная (н-бутановая)	С4 : 0	−5,3
Валериановая (пентановая)	С5 : 0	−34,5
Капроновая (гексановая)	С6 : 0	−3,2
Каприловая (октановая)	С8 : 0	+16,5
Каприновая (декановая)	С10 : 0	+31,6
Лауриновая (додекановая)	С12 : 0	+44,8
Миристиновая (тетрадекановая)	С14 : 0	+54,4
Пальмитиновая (гексадекановая)	С16 : 0	+62,9
Стеариновая (октадекановая)	С18 : 0	+70,1
Арахиновая (эйкозановая)	С20 : 0	+76,1
Бегеновая (докозановая)	С22 : 0	+80,0
Лигноцериновая (тетракозановая)	С24 : 0	+84,2
Церотиновая (гексакозановая)	С26 : 0	+87,8
Монтановая (октакозановая)	С28 : 0	+90,9
Мелиссовая (триаконтановая)	С30 : 0	+93,6
Ненасыщенные жирные кислоты
Пальмитоолеиновая (гексадецен-9-овая)	С16 : 1, D9	цис- +0,5 транс- +31,0
Олеиновая (цис-октадецен-9-овая)	С18 : 1, D9	+16,0
Линолевая (октадекадиен-9,12-овая)	С18 : 2, D9,12	цис- −43,0 транс- −13,0
a-Линоленовая (октадекатриен-9,12,15-овая)	С18 : 3, D9,12,15 (w3-ряд)	−75,0
Арахидоновая (эйкозатетраен-5,8,11,14-овая)	С20 : 4, D5,8,11,14 (w6-ряд)	−75,0
Эруковая (докозен-13-овая)	С22 : 1, D13	цис- +33,5 транс- +60,0

 

В липидах высших организмов двойная связь мононенасыщенных жирных кислот находится в основном между 9-м и 10-м углеродными атомами. В жирных кислотах, содержащих две или более двойных связей, эти связи несопряженные (−СН=СН−СН2−СН=СН−). Двойные связи почти всех природных ненасыщенных жирных кислот имеют цис-конфигурацию. Среди насыщенных жирных кислот у высших организмов чаще встречаются пальмитиновая (С16 : 0) и стеариновая (С18 : 0) кислоты, а среди ненасыщенных – олеиновая (С18 : 1), линолевая (С18 : 2), линоленовая (С18 : 3), арахидоновая (С20 : 4) кислоты.

Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты различаются по конфигурации. В насыщенных жирных кислотах углеводородная цепь может принимать множество конформаций вследствие полной свободы вращения вокруг каждой С−С-связи. Однако самой вероятной является энергетически более выгодная вытянутая конформация.

В ненасыщенных жирных кислотах невозможность вращения вокруг цис-двойной связи обуславливает жесткий изгиб углеводородной цепи под углом ~30°. В случае транс-двойной связи конформация углеводородной цепи мало отличается от таковой насыщенных жирных кислот.

В полиненасыщенных жирных кислотах цис-конфигурация двойных связей придает углеводородной цепи изогнутый и укороченный вид. Это имеет существенное значение при формировании биомембран клетки.

Биосинтез жирных кислот.Биосинтез жирных кислот катализируется синтазой жирных кислот. Эта ферментная система локализована в цитоплазме и нуждается в качестве затравки в ацетил-КоА. В циклической реакции одна молекула удлиняется семикратно на С₂-звена. В качестве конечного продукта реакции образуется анион С₁₆-кислоты, пальмитат. Фактический субстрат реакции удлинения цепи малонил-КоА на каждой стадии конденсации отщепляет карбоксильную группу в виде СО₂. Восстановителем в синтезе жирных кислот является НАДФН + Н⁺. В результате на синтез одной молекулы пальмитата расходуется одна молекула ацетил-КоА, 7 молекул малонил-КоА и 14 молекул НАДФН + Н⁺; при этом образуются 7 молекул СО₂, 6 молекул H₂O, 8 молекул КоА и 14 молекул НАДФ⁺.

Основным компонентом различных масел и жиров являются сложные эфиры глицерина и жирных кислот – ацилглицерины. Это важнейший класс запасных липидов у растений и большинства животных. Если одна или две ОН-группы глицерина этерифицированы жирными кислотами, такие соединения называются моноацил- и диацилглицеринами соответственно. Если все три ОН-группы глицерина этерифицированы жирными кислотами, такое соединение называется триацилглицерином. Они составляют основную массу природных неполярных липидов и различаются природой и расположением жирнокислотных остатков. Если во всех 3-х положениях находятся остатки одной и той же жирной кислоты – это простые триацилглицерины. В случае присутствия в молекуле 2-х или 3-х разных остатков жирных кислот, речь идет о смешанных триацилглицеринах. Большинство природных липидов представляют собой сложные смеси простых и смешанных триацилглицеринов. Твердые при обычной температуре и содержащиеся в животных тканях триацилглицерины называются жирами, а жидкие триацилглицерины растительного происхождения – маслами.

 

 

Свойства триацилглицеринов определяются свойствами входящих в их состав жирных кислот, так как второй структурный элемент – глицерин– одинаков для всех триацилглицеринов. Температура плавления триацилглицеринов повышается с увеличением числа и длины цепи остатков насыщенных жирных кислот.

При щелочном или кислотном гидролизе молекулы триацилглицеринов расщепляются по сложноэфирным связям до глицерина и свободных жирных кислот. В результате щелочного гидролиза или омыления образуются глицерин и соли высших жирных кислот – мыла. Аналогично идет гидролиз триацилглицеринов под действием фермента липазы. Так же, как и свободные жирные кислоты, но в меньшей степени триацилглицерины окисляются кислородом воздуха (особенно при повышенных температурах) с образованием перекисных соединений, оксикислот и продуктов полимеризации.

Если к С1 и С3-атомам глицерина присоединяются остатки двух разных жирных кислот, второй углеродный атом глицерина становится асимметрическим. Природные триацилглицерины, содержащие асимметрический атом углерода, соответствуют L-конфигурации. При описании пространственного строения триацилглицеринов масел и жиров принято считать, что первый углеродный атом глицерина находится на верху цепи и обозначается sn-1.

Теоретически каждая из трех ОН-групп глицерина может быть этерифицирована любой жирной кислотой, и количество различных триацилглицеринов должно быть огромным. Однако в природе синтезируется относительно небольшое число триацилглицеринов, а из каждой пары возможных оптических изомеров – только один. Причем ненасыщенные жирные кислоты присоединяются преимущественно к ОН-группе глицерина в sn-2-положении.

Значительная часть ненасыщенных жирных кислот (в маслах) находится в крайних положениях (sn-1 и sn-3) и легко поддается окислению.

Стерины (стероидные спирты) – это производные циклопентанпергидро-фенантрена, метилированного в 10-м и 13-м положениях. Все стерины содержат b-ОН-группу у третьего углеродного атома и одну или несколько двойных связей в кольце В. Они присутствуют во многих мембранах растений, животных и микроорганизмов, выполняя структурную функцию, а также являясь предшественниками витаминов и гормонов, компонентами желчных кислот и др. Наиболее распространенным стерином мембран животных клеток является холестерин (рис. 31).

 

 

 

Рис. 31. Структура холестерина

Это слабоамфифильная молекула, содержащая жесткое гидрофобное полициклическое ядро и полярную головку, представленную ОН-группой. Холестерин входит в состав мембран (стабилизирует их текучесть) и является предшественником для синтеза стероидных гормонов, желчных кислот, витамина D₃. В клетках растений, водорослей, мицелиальных грибов и дрожжей образуется множество родственных холестерину соединений – эргостерол, b-ситостерол, стигмастерол и др.

Полярные липиды. К ним относятся фосфо- и гликолипиды, которые формируют биомембраны клетки. Среди них выделяют фосфоглицеро-, фосфосфинго-, гликоглицеро- и гликосфинголипиды. Разнообразие представителей этих классов огромно и в любой мембране может содержаться до 100 разных типов липидных молекул, что, очевидно, связано с разнообразием их функций. Однако основной функцией липидов в биомембранах служит структурная – липиды формируют бислой, в котором находятся белковые молекулы.

Фосфоглицеролипиды. Они преобладают в количественном отношении в большинстве биомембран. Наиболее распространены следующие фосфоглицеролипиды: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, дифосфатидилглицерол (кардиолипин). Основу молекул фосфоглицеролипидов составляет 3-атомный спирт глицерин. Две его ОН-группы этерифицированы двумя остатками жирных кислот, а 3-я – остатком фосфорной кислоты. Образованная в результате молекула представляет собой основной предшественник всех фосфоглицеролипидов – фосфатидную кислоту, или фосфатидат. В результате реакции этерификации фосфатной группы фосфатидата ОН-группой одного из спиртов (холина, этаноламина) или аминокислоты (серина) образуются соответствующие фосфоглицеролипиды.

Жирные кислоты в составе фосфоглицеролипидов почти всегда содержат четное число углеродных атомов (14−24). Среди них наиболее распространены пальмитиновая (С16 : 0), пальмитолеиновая (С16 : 1, Δ9), стеариновая (С18 : 0), олеиновая (С18 : 1, Δ9), линолевая (С18 : 2, Δ9,12), линоленовая (С18 : 3, Δ9,12,15), арахиновая (С20 : 0), арахидоновая (С20 : 4, Δ5,8,11,14) кислоты.

Фосфоглицеролипиды выполняют в мембранах структурную функцию. Фосфатидилхолин служит основным компонентом мембран животных клеток, фосфатидилэтаноламин встречается в мембранах бактерий. Это сильноамфифильные молекулы, так как содержат в структуре две неравнозначные по свойствам группировки: полярную гидрофильную головку (остаток фосфорной кислоты с присоединенным к нему аминоспиртом или аминокислотой) и неполярный гидрофобный хвост (остатки жирных кислот).

 

Фосфосфинголипиды. Это также сильно амфифильные молекулы. Они образованы на основе аминоспирта сфингозина,имеющего длинную негидролизуемую ненасыщенную углеводородную цепь. Первичным сфинголипидом, из которого образуются все классы неглицероловых липидов, является церамид, формирующийся в результате присоединения жирной (чаще мононенасыщенной) кислоты к центральной аминогруппе сфингозина с образованием амидной связи.

Фосфосфинголипиды представляют собой церамиды, у которых оставшаяся ОН-группа этерифицирована фосфатным производным – фосфорилхолином, фосфорилэтаноламином, фосфорилинозитолом, фосфорилглицеролом. Церамид, этерифицированный фосфорилхолином, называется сфингомиелином. Он преобладает в мембранах животных клеток, выполняя там в основном структурную функцию.

 

 

 

Фосфосфинголипиды служат основными структурными компонентами мембран клеток нервной ткани, формируя миелиновые оболочки нейронов.

Гликоглицеролипиды. Представляют собой полярные липиды, построенные на основе глицерина, у которого ОН-группа у третьего атома углерода участвует в образовании гликозидной связи с каким-либо углеводом. Роль углеводных единиц чаще выполняют остатки галактозы или 6-сульфо-6-дезокси-a-D-глюкопиранозил, при этом образуются соответственно моногалактозилдиацилглицерин и сульфолипид. Гидроксильные группы двух остальных атомов углерода глицерина в гликоглицеролипидах так же, как в фосфоглицеролипидах, этерифицированы жирными кислотами. Гликоглицеролипиды выполняют в основном рецепторную функцию. На долю моногалактозилдиацилглицерина приходится до половины всех липидов тилакоидных мембран хлоропластов.

 

Гликосфинголипиды. Построены на основе церамида, к концевой ОН-группе которого с помощью гликозидной связи присоединяются моно- либо олигосахариды. Те гликосфинголипиды, у которых углеводная часть представлена моносахаридами, называются цереброзидами. Сфинголипиды, у которых углеводная часть представлена коротким кислотным, как правило, разветвленным олигосахаридом, называются ганглиозидами. Кислотность этого класса гликолипидов обусловлена присутствием в них в качестве ветвей углеводной цепи моносахарида нейраминовой кислоты или ее N-ацетилпроизводного.

 

 

 

Гликосфинголипиды являются компонентами мембран клеток нервной ткани, участвуют в регуляции клеточного метаболизма (в регуляции роста клеток), выполняют сигнальные функции, воспринимая и передавая сигналы, т. е. являются молекулами-медиаторами. Гликосфинголипиды мембран эритроцитов несут антигены группы крови. Цереброзиды присутствуют в высоких концентрациях в мозге и нервных тканях млекопитающих.

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА БИОМЕМБРАН

К биомембранам относят плазматические мембраны клеток, ядерную мембрану, мембраны эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, мембраны… Биомембраны выполняют различные функции: 1) ограничивающую: биомембраны окружают все про- и эукариотические клетки, обосабливая живое от неживого или отдельные…

ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ

Витамин В1 (тиамин). Молекула тиамина состоит из пиримидинового и тиазолового колец, соединенных метиленовой группой (рис. 33). Коферментной формой витамина является тиаминдифосфат (тиаминпирофосфат),… 1) в составе декарбоксилаз кетокислот обеспечивает окислительное декарбоксилирование a-кетокислот (пирувата,…

ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ

Витамин А (ретинол). Этот витамин существует в двух формах (рис. 46), сходных по химическому строению и обладающих разным физиологическим действием,…    

НОМЕНКЛАТУРА ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ

В настоящее время для обозначения лекарственных средств используют два вида названий: 1) непатентованные международные, которые утверждаются официальными органами… 2) коммерческие, или фирменные, названия, являющиеся коммерческой собственностью фармфирм. При этом один и тот же…

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОТИВОМАЛЯРИЙНЫЕ ПРЕПАРАТЫ

Наиболее распространенными современными синтетическими противомалярийными препаратами в является примахин (синтезирован в Германии) и акрихин…  

ОСНОВНЫЕ КЛАССИФИКАЦИИ АНТИБИОТИКОВ

По способу получения:

1) природные;

2) синтетические;

3) полусинтетические.

 

Продуцентами большинства антибиотиков являются:

1) актиномицеты;

2) плесневые грибы;

3) бактерии (полимиксины);

4) высшие растения (фитонциды);

5) ткани животных и рыб (эритрин, эктерицид).

 

По направленности действия:

1) антибактериальные;

2) противогрибковые;

3) противоопухолевые.

 

По спектру действия (числу видов микроорганизмов, на которые действуют антибиотики):

1) препараты широкого спектра действия (цефалоспорины 3-го поколения, макролиды);

2) препараты узкого спектра действия (циклосерин, линкомицин, бензилпенициллин, клиндамицин).

 

По химическому строению:

1) бета-лактамные антибиотики – основу из молекулы составляет бета-лактамное кольцо. К ним относятся:

а) пенициллины – это группа природных и полусинтетических антибиотиков, молекула которых содержит 6-аминопенициллановую кислоту, состоящую из двух колец – тиазолидонового и бета-лактамного. Среди них выделяют:

– биосинтетические (пенициллин G-бензилпенициллин);

– аминопенициллины (амоксициллин, ампициллин, бекампициллин);

– полусинтетические «антистафилококковые» пенициллины (оксациллин, метициллин, клоксациллин, диклоксациллин, флуклоксациллин), основное преимущество которых – устойчивость к микробным бета-лактамазам, в первую очередь стафилококковым;

б) цефалоспорины – это природные и полусинтетические антибиотики, полученные на основе 7-аминоцефалоспориновой кислоты и содержащие цефемовое (также бета-лактамное) кольцо, т. е. по структуре они близки к пенициллинам. Делятся на цефалоспорины:

– 1-го поколения: цепорин, цефалотин, цефалексин;

– 2-го поколения: цефазолин (кефзол), цефамезин, цефамандол (мандол);

– 3-го поколения: цефуроксим (кетоцеф), цефотаксим (клафоран), цефуроксим аксетил (зиннат), цефтриаксон (лонгацеф), цефтазидим (фортум);

– 4-го поколения: цефепим, цефпиром (цефром, кейтен) и др.

в) монобактамы – азтреонам (азактам, небактам);

г) карбопенемы – меропенем (меронем) и имипинем;

2) аминогликозиды. Они содержат аминосахара, соединенные гликозидной связью с остальной частью (агликоновым фрагментом) молекулы. К ним относятся: стрептомицин, гентамицин (гарамицин), канамицин, неомицин, мономицин, сизомицин, тобрамицин (тобра) и полусинтетические аминогликозиды – спектиномицин, амикацин (амикин), нетилмицин (нетиллин);

3) тетрациклины. Основу молекулы составляет полифункциональное гидронафтаценовое соединение с родовым название тетрациклин. Среди них имеются природные тетрациклины – тетрациклин, окситетрациклин (клинимицин) и полусинтетические тетрациклины – метациклин, хлортетрин, доксициклин (вибрамицин), миноциклин, ролитетрациклин;

4) макролиды. Препараты этой группы содержат в своей молекуле макроциклическое лактоновое кольцо, связанное с одним или несколькими углеводными остатками. К ним относятся: эритромицин, олеандомицин, рокситромицин (рулид), азитромицин (сумамед), кларитромицин (клацид), спирамицин, диритромицин;

5) линкозамиды. К ним относятся: линкомицин и клиндамицин. Фармакологические и биологические свойства этих антибиотиков очень близки к макролидам, и, хотя в химическом отношении это совершенно иные препараты, некоторые медицинские источники и фармацевтические фирмы – производители химиопрепаратов, например делацина С, – относят линкозамины к группе макролидов;

6) гликопептиды. Препараты этой группы в своей молекуле содержат замещенные пептидные соединения. К ним относятся: ванкомицин (ванкацин, диатрацин), тейкопланин (таргоцид), даптомицин;

7) полипептиды. Препараты этой группы в своей молекуле содержат остатки полипептидных соединений, к ним относятся: грамицидин, полимиксины М и В, бацитрацин, колистин;

8) полиены. Препараты этой группы в своей молекуле содержат несколько сопряженных двойных связей. К ним относятся: амфотерицин В, нистатин, леворин, натамицин;

9) антрациклиновые антибиотики. К ним относятся противо-опухолевые антибиотики: доксорубицин, карминомицин, рубомицин, акларубицин.

Есть еще несколько достаточно широко используемых в настоящее время в практике антибиотиков, не относящихся ни к одной из перечисленных групп – фосфомицин, фузидиевая кислота (фузидин), рифампицин. В основе антимикробного действия антибиотиков, как и других химиотерапевтических средств, лежит нарушение метаболизма микробных клеток.

Пенициллины. Обладают широким спектром антибактериального действия, проявляя как бактериостатическую, так и бактерицидную активность в отношении многих грамположительных микроорганизмов (стафилококков, пневмококков, стрептококков), некоторых грамотрицательных кокков (гонококков, менингококков), палочек сибирской язвы, клостридий, спирохет и некоторых грибов. Широкое медицинское применение пенициллинов связано с их относительно низкой токсичностью для теплокровных, хотя в ряде случаев эти антибиотики вызывают аллергические заболевания и анафилактический шок. Молекула пенициллина содержит β-лактам-тиазолидиновую бициклическую систему пенама и имеет строго необходимую для проявления биологической активности конфигурацию (рис. 61).

 

Рис. 61. Общая структурная формула пенницилинов

 

 

Цефалоспорины.Ооказывают бактерицидное действие. Имеют широкий спектр антимикробной активности, хорошие фармакокинетические характеристики, низкую токсичность и хорошую переносимость (в том числе при применении в максимальных дозах). Общая формула цефалоспоринов представлена на рис. 62. Выделяют четыре поколения цефалоспоринов. В ряду от I к IV поколению расширяется спектр действия и повышается уровень антимикробной активности в отношении грамотрицательных бактерий и пневмококков, и немного снижается активность в отношении стафилококков от I к III поколению. Механизм действия β-лактамных антибиотиков состоит в подавлении синтеза бактериальной клеточной стенки.

 

 

Рис. 62. Общая формула цефалоспоринов.

 

 

Аминогликозиды.По широте клинического применения группа антибиотиков аминогликозидов занимает четвертое место после β-лактамов, тетрациклинов и неполиеновых макролидов. Стрептомицин (рис. 63), обнаруженный в результате тщательно спланированной программы поиска препаратов, активных против грамотрицательных бактерий, оказался первым эффективным антибиотиком для лечения туберкулеза; наряду с другими аминогликозидами он используется также для борьбы с заболеваниями, вызываемыми различными видами Pseudomonas и Proteus, а иногда также Streptomyces и Staphylococcus.

Рис. 63. Структурная формула стрептомицина

 

Аминогликозиды – многочисленное семейство антибиотиков, охватывающее более 100 природных соединений, продуцируемых микроорганизмами родов Streptomyces, Micromonospora и Bacillus, a также большое число полусинтетических аналогов. Их объединяет наличие в молекуле одного из шестичленных карбоциклических аминоспиртов (аминоинозитов), гликозилированных одним или несколькими обычными или специфическими аминосахарами.

Тетрациклины. Занимают второе место после β-лактамных по широте клинического применения. Они высокоактивны против грамположительных и большинства грамотрицательных бактерий, риккетсий и микоплазм и применяются для борьбы с пневмонией, дизентерией, коклюшем, гонореей, бруцеллезом, туляремией, сыпным и возвратным тифом, холециститом, менингитом и другими инфекционными заболеваниями, а также гнойными осложнениями в хирургии. Первый тетрациклиновый антибиотик хлортетрациклин (ауреомицин) выделен Б. Даггером в 1948 г. из Streptomyces aureofaciens, в 1950 г. описан окситетрациклин (террамицин) из S. rimosus, a позднее получен (как каталитическим восстановлением хлортетрациклина, так и биосинтезом) тетрациклин (рис. 64) и остальные 6 природных тетрациклинов.

 

Рис. 64. Структурная формула тетрациклина.

 

Макролиды. Представляют собой класс антибиотиков, основу химической структуры которых составляет макроциклическое лактонное кольцо. В зависимости от числа атомов углерода в кольце макролиды подразделяются на 14-членные (эритромицин, рокситромицин, кларитромицин), 15-членные (азитромицин) и 16-членные (мидекамицин, спирамицин, джозамицин). Основное клиническое значение имеет активность макролидов в отношении грамположительных кокков и внутриклеточных возбудителей (микоплазмы, хламидии, кампилобактеры, легионеллы). Макролиды относятся к числу наименее токсичных антибиотиков. Химическая структура молекулы эритромицина представлена на рис. 65.

Рис. 65. Химическая структура молекулы эритромицина.

 

Антимикробное действие макролидов обусловлено нарушением синтеза белка на этапе трансляции в клетках чувствительных микроорганизмов. Антибактериальные макролиды обладают бактериостатическим действием, хотя при больших концентрациях могут вызывать гибель чувствительных клеток.

Среди макролидов можно выделить важную подгруппу антибиотиков, называемых ансамакролидами. Их биологическая активность связана с подавлением биосинтеза нуклеиновых кислот. Характерной чертой химического строения ансамакролидов является наличие алифатической лактамной цепи, которая, как ручка корзины (от лат. ansa – ручка), связывает два несмежных положения нафталинового или бензольного кольца. Наиболее важные представители первой, нафталиновой группы – рифамицины В и SV, а также полусинтетический рифампицин. Рифампицин – наиболее эффективный антибиотик для лечения туберкулеза (рис. 66).

 

 

Рис. 66. Структура рифампицина

 

Механизм действия ансамакролидов уникален. Они подавляют активность ДНК-зависимых РНК-полимераз из клеток бактерий и совершенно не взаимодействуют с РНК-полимеразами млекопитающих. Конкретная мишень нафталиновых ансамакролидов – β-субъединицы фермента, с которыми они образуют очень прочные нековалентные комплексы, из-за чего нарушается образование второй и третьей фосфодиэфирных связей в РНК.

Антифунгальные антибиотики.Среди них наиболее важную группу составляют полиеновые макролиды. В настоящее время ниболее широко распространенными являются четыре антибиотика этой группы: амфотерицин В, нистатин, леворин и трихомицин; в мире употребляются в основном первые два из них и кандицидин, главный компонент которого идентичен леворину А2. Для полиеновых макролидов характерно наличие в молекуле сопряженной системы двойных связей, по количеству которых их классифицируют как три-, тетра-, пента-, гекса- или гептаены. Широко применяемые макролидные антибиотики обладают цвиттер-ионным характером и поэтому плохо растворимы в воде. Нистатин и леворин применяются только местно и плохо всасываются при оральном применении. Внутривенно, для лечения системных микозов, применяют только амфотерицин В. Для улучшения растворимости полиеновых антибиотиков предложено использовать их N-ацетильные и некоторые другие производные, например н-бутиламиды, четвертичные соли и N-диметиламинометилиденовые производные метиловых эфиров. В отличие от всех рассмотренных выше антибиотиков, мишенью действия полиеновых макролидов является не конкретная макромолекула, а важнейшая часть клетки в целом – ее мембрана.

Антрациклины. Важнейшая группа антибиотиков, использующихся в химиотерапии злокачественных опухолей. Они активны также в отношении грамположительных бактерий, грибов и вирусов, но обладают слишком большой токсичностью, в особенности кумулятивной кардиотоксичностью, которая исключает их применение в химиотерапии инфекционных заболеваний. Антрациклины представляют собой сочлененные с карбоциклическим кольцом антрахиноны, несущие различное количество заместителей и гидроксильных групп, одна из которых гликозилирована специфическим моносахаридом или трисахаридом.

Наиболее широкое применение в клинической практике находят три антрациклина: дауномицин, адриамицин (доксорубицин) и карминомицин. Большая часть антрациклинов, продуцируется различными видами Streptomyces, и была открыта в 1956–1964 гг. В основе строения всех указанных антибиотиков – антрахиноновая структура (рис. 67).

 

 

 

антрациклин	R1	R2
дауномицин	-OCH3	-H
адриамицин	-OCH3	-OH
карминомицин	-H	-H

 

Рис. 67. Общая структура антрациклиновых антибиотиков

 

По механизму действия антрациклины близки актиномицину D: подавляют ДНК-зависимый синтез РНК (ее элонгацию) и гораздо слабее влияют на репликацию. В литературе имеются сведения, что некоторые аналоги дауномицина проявляют высокую противоопухолевую активность, ингибируют синтез РНК, не образуя комплексов с ДНК.

Среди пртивоопухолевых антибиотиков можно также отметить стрептонигрин(рис. 68). Этот антибиотик широкого спектра действия из Streptomyces flocculus описан в 1959–1960 гг. К. Рао и В. Кулленом, а затем выделен и введен в онкологическую практику под названием брунеомицина или рубихромомицина.

 

Рис. 68. Структурная формула стрептонигина

 

Строение антибиотика установлено в 1963 г. К. Рао, К. Биманом и Р. Б. Вудвордом. Антибиотик вызывает одиночные разрывы в ДНК. Он связывается с ней как в хинолинхинонной, так и в восстановленной формах, образуя два типа комплексов, диализуемых и недиализуемых, причем последние содержат одну молекулу антибиотика на 2000 п. о. Механизм его действия, вероятно, состоит в том, что он восстанавливается НАДН до гидрохинона и далее окисляется в семихинон кислородом воздуха с одновременным образованием супероксидных радикалов (^–О–О^·), которые и вызывают гибель клеток.

Митомицины А, В и С, а также порфиромицин представляют собой комплекс противоопухолевых антибиотиков, продуцируемых несколькими видами Streptomyces. Впервые они обнаружены японскими исследователями в 1956 г., а их строение определено химическим и рентгеноструктурным анализом в 1962–1976 гг. Описаны полные синтезы митомицинов и множества их производных и аналогов. Из них ряд соединений проявляет большую активность против отдельных видов опухолей (лейкопения) и меньшую токсичность. Отличительной чертой химического строения митомицинов является присутствие в молекулах азиридинового цикла, редко встречающегося среди природных соединений. Общая структура митомицинов представлена на рис. 69.

 

Рис. 69. Общая структура митомицинов

 

Отличительной чертой химического строения митомицинов является присутствие в молекулах азиридинового цикла, редко встречающегося среди природных соединений. Митомицины – быстродействующие бактерицидные и цитотоксичные реагенты, и устойчивость к ним клеток некоторых бактерий может быть объяснена только барьерами проницаемости. Мишенью действия митомицинов является ДНК – они быстро подавляют репликацию и вызывают разрушение существующей ДНК двумя путями: во-первых, образованием модифицированных пуриновых звеньев (одно звено на 200 - 300 пар оснований) и, во-вторых, бифункциональным связыванием двух комплементарных цепей ДНК. Интересно, что вирусная ДНК, в отличие от ДНК клеток хозяина, митомицинами почти не разрушается. Обязательным условием действия митомицинов является их предварительное восстановление с помощью НАДН in vivo.

Список литературы.

1. Химия биологически активных природных соединений: в 2 ч. / Под ред. Н.А.Преображенного.– М.: Мир, 1970, 1976. – Ч. 1. – 512 с.; Ч. 2. – 456 с.

2. Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1987. - 815 с.

3. Тюкавкина Н.А. Биоорганическая химия. – М.: Дрофа , 2005 . - 542 с.

4. Сорочинская Е.И. Биоорганическая химия: учеб. пособие. – С-Пб.: Изд. С.-Петербургского ун-та, 2008. - 148 с.

5. Мецлер Д. Биохимия: в 3 т. – М.: Мир, 1980. – Т. 1. – 407 с.; Т. 2. – 606 с.; Т. 3. – 488 с.

6. Ленинджер А. Основы биохимии: в 3 т. – М.: Мир, 1985. – Т. 1. – 365 с.; Т. 2. – 355 с.; Т. 3. – 313 с.

7. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии (задачи, тесты) / Под. ред. Тюкавкиной Н. А. - М.: Мир, 1999. - 167 с.

8. Леонтьев В. Н., Ахрамович Т.И. Биохимия. Лабораторный практикум: учеб. пособие для студентов специальностей «Биотехнология» и «Биоэкология». – Мн.: БГТУ, 2008. - 218 с.

9. Машковский М. Д. Лекарственные средства. – М.: Новая волна, 2007. - 1206 с.

 

 

Учебное издание

 

ЛеонтьевВиктор Николаевич

ИгнатовецОльга Степановна

 

ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

 

Учебно-методическое пособие

 

Редактор Т. Е. Самсанович

Компьютерная верстка

Корректор Т. Е. Самсанович

 

Издатель:

УО «Белорусский государственный технологический университет».

ЛИ№ 02330/0549423 от 08.04.2009

ЛП № 02330/0150477 от 16.01.2009.

Ул. Свердлова, 13а, 220006, г. Минск