Конспекты по общему курсу Органической химии у ф а 2008

Реакция переаминирования моделирует биосинтез аминокислот в живых организмах.

Организм использует эту реакцию для синтеза важных в биологическом смысле аминов. Например, дофамин является предшественником такого гормона, как адреналин.

К пептидам относятся соединения, в которых аминокислотные остатки соединены между собой за счет амидных связей. В данном случае эти связи называются пептидными связями. На образование этой связи одна молекула предоставляет аминогруппу, а другая молекула – карбоксил.

Если бы возникла необходимость расставлять химические реакции по ранжиру, то реакция образования пептидной связи была бы вне конкуренции. Потому что именно ее природа выбрала как универсальный способ соединения молекул аминокислот между собой при синтезе пептидов и белков.

Строение пептидной связи хорошо изучено. Установлено, что амидная группа является плоской – атомы азота, углерода карбонильной группы и все другие атомы, связанные с ними лежат в одной плоскости

Обычная длина одинарной связи С-N составляет величину 1,47 Е, а при образовании пептидной связи она укорачивается до значения 1,32 Е. Это говорит о том, что в пептидах эта связь скорее двойная, чем одинарная. По этой причине геометрия азота близка к геометрии тригонального углерода и углы между атомами близки 120⁰.

Продукт соединения при помощи пептидной связи двух аминокислот называется дипептидом, многих аминокислот – полипептидом. Рассмотрим

Подробнее как образуется дипептид.

Если в образования дипептида участвует лишь две молекулы одной и той же аминокислоты, то имеется лишь один вариант соединения их между собой с образованием лишь одного дипептида. Дипептид, образованный только одной аминокислотой, называется гомополимером. Если в образовании полипептида участвуют различные аминокислоты, то полипептид называется гетерополимером.

Ситуация усложнятся при получении хотя бы дипептида из различных аминокислот. Так, из глицина и аланина можно произвести два пептида

Прежде чем продолжить рассмотрение пептидов, необходимо условиться относительно их названий.

В гетерополиамиде имеется два конца. Один конец составляет аминокислота со свободной аминогруппой. Она называется «N – концевая аминокислота». В другом конце дипептида – аминокислота со свободной карбоксильной группой, которая получает название «С – концевой аминокислоты»

Когда нумеруют аминокислотные остатки в полипептидной цепи, то начинают с N – концевой аминокислоты, а сами полипептиды называют как производные С- концевой аминокислоты. Очень часто используется сокращенная запись аминокислотных остатков в полипептидной цепи (список сокращенной записи аминокислот приведен в табл.1).

В качестве примера приведем названия упомянутых выше двух возможных дипептидов глицина и аланина

Природные полипептиды обычно содержат в своей молекуле множество остатков аминокислот. Поэтому определение качественного и количественного аминокислотного состава пептида, а также последовательности расположения отдельных аминокислот в полипептидной цепи, представляет огромный интерес.

Строение полипептидов устанавливается химическими методами.

Как и любой амид, полипептиды способны гидролизоваться в присутствии кислот и оснований. Основания могут вызвать рацемизацию аминокислот, поэтому гидролиз обычно проводится под действием кислот. При изучении пептидов используется как полный, так и частичный гидролиз полипептидов. На основании изучения продуктов полного гидролиза устанавливается аминокислотный состав пептида, а продукты частичного гидролиза помогают выявить последовательность соединения отдельных аминокислот в полипептидной цепи.

В качестве примера рассмотрим установление строения простейшего трипептида под названием гидантоин.

При полном гидролизе гидантоин дает три аминокислоты: глицин, глутаминовую кислоту и цистеин (glu + cys + gly). Эти аминокислоты могут образовать шесть трипептида

glu – cys + gly + glu + cys – gly + cys

Важнейший раздел химии пептидов – это их синтез, который всегда привлекал к себе внимание, поскольку пептиды относятся к биологически активным соединениям.

На первый взгляд в синтезе полипептидов нет ничего сложного – несколько аминокислот необходимо соединить за счет амидных связей. Сложности возникают оттого, что сами аминокислоты должны относиться к L ряду, в пептидной цепи они должны быть расположены в строго определенном порядке. А ведь даже две аминокислоты могут соединяться друг с другом образуя два дипептида. Еще раз вернемся к случаю образования дипептида из глицина и аланина. Если просто смешать эти аминокислоты, то получится два дипептида

Чтобы получить только один из дипептидов, необходимо воспрепятствовать образование другого. Для этого надо сделать так, чтобы в одной аминокислоте не могла реагировать аминогруппа, а в другой карбоксильная группа. Их необходимо временно заблокировать, или, как принято говорить в органической химии – защитить, а в последующем снять защиту. Причем при снятии защиты нельзя повредить созданный полипептид. Сказанное поясним на примере.

Предположим, из глицина и аланина надо получить дипептид gly – ala. Из записи видно, что глицин в дипептиде составляет N - концевую аминокислоту, а аланин – С – концевую аминокислоту. Отсюда следует, что при синтезе дипептида заданной структуры в глицине необходимо защитить аминогруппу, а в аланине – карбоксильную группу. Это и есть главное в синтезе пептидов. Можно даже сказать, что успехи в синтезе пептидов в основном связаны с разработкой новых методов защиты функциональных групп.

К настоящему времени для защиты аминогруппы предложено несколько реакций и почти все они основаны на связывании этой функциональной группы в амид.

Один из способов защиты аминогруппы заключается в реакции аминокислоты с карбобензилоксихлоридом (Бергман, Зервас, 1932 г). После создания амидной связи защита снимается либо каталитическим гидрогенолизом или с помощью бромистого водорода в уксусной кислоте. Сам карбобензоксихлорид получается из бензилового спирта и фосгена. Общая схема превращений следующая

Более подходящим реагентом для защиты аминогруппы в аминокислотах оказался трет-бутоксикарбоксазид (БОК). В последующем данную защиту легко можно снять при помощи реакции со смесью соляной и уксусных кислот

Еще один способ защиты аминогруппы – ацилировние ее бензоилхлоридом. Эта защита снимается гидролизом

Для защиты аминогруппы был предложен и 2,4-динитрофторбензол – реактив Сэнгера. В этом случае соответствующее производное образуется в результате бимолекулярного нуклеофильного замещения фтора, чему способствуют нитрогруппы в бензольном кольце. Защитная группа снимается в результате гидролиза

Карбоксильную группу в аминокислотах защищают обычно этерификацией различными спиртами, используя кислотные катализаторы (хлористоводородная кислота, n-толуолсульфокислота). И в этом случае защита снимается при помощи реакции гидролиза

Вернемся к синтезу пептидов. Если мы хотим получить дипептид из глицина и аланина gly – ala, то любым из только что рассмотренных способов защитим аминогруппу в глицине и карбоксильную группу в аланине

После этого, используя аминокислоты с защищенными функциональными группами, свяжем их между собой пептидной связью. Эта реакция идет особенно хорошо с участием такого водоотнимающего средства как дициклогексилкарбодимида (ДЦГКДИ)

Синтез дипептида завершается снятием защиты с аминной и карбоксильной групп при помощи гидролиза

Точно таким же образом можно синтезировать три- и вообще полипептиды. Однако это исключительно трудоемкая и малоэффективная работа из-за многостадийности синтеза. Подсчитано, что если синтез включает 100 стадий и выход целевого продукта на каждой из них составляет 90%, то общий выход будет всего 0,003%! Тем не менее, на этом пути удалось достичь поразительных успехов. В качестве примера приведем случай с инсулином. Этот полипептид является гормоном, контролирующим метаболизм глюкозы в организме. Он синтезируется бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы. Сэнгер (Сэнджер), установивший первичную структуру инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка, в 1958 году был удостоен Нобелевской премии. В 1963 году удалось осуществить полный синтез этого полипептида. Интересно отметить. что синтез проводился в течение 3 лет и состоял из 230 последовательных реакций

Несравненно более эффективным методом синтеза полипептидов является так называемый твердофазный синтез (Меррифилд).

В этом случае синтез начинается с «закрепления» карбоксильной группы будущей С –концевой аминокислоты к полимерной матрице за счет образования эфирной связи с хлорметильной группы полимера

В качестве полимерной подложки часто используется полистирол, у которого около 1% остатков бензольных колец связаны с хлорметильными группами

В последующем аминокислотой с защищенной аминогруппой ацилируют другую аминокислоту, которая закреплена на полимере. Дальше снимают защиту амингруппы, теперь уже у образовавшегося дипептида, и цепь готова к наращиванию следующей аминокислотой.

Твердофазный синтез пептидов оказался необычайно эффективным, поскольку растущая полипептидная цепь ни на одной стадии не требует выделения и специальной очистки. Синтез может быть автоматизирован, а его скорость такова, что за сутки можно получить гексапептид. С помощью твердофазного синтеза был получен фермент рибонуклеаза, молекула которого состоит из 124 аминокислот. Синтез был осуществлен на автоматическом режиме всего за 3 недели. Для сшивания между собой 124 аминокислот в определенной последовательности понадобилось осуществить 369 реакций, включающих 11 931 стадию!

Как и полипептиды, белки состоят из аминокислот. Различие между ними обычно видят в молекулярной массе. Если она более 5000, то полипептид относят к белкам. В то же время бросается в глаза несовершенство такого подхода. Более существенное различие между полипептидами и белками состоит в их структуре: молекулы полипептидов представляют собой гибкие и линейные образования, а молекулы белков свернуты в клубок или в другие структуры.

1.3.1. Состав и строение белков.

В природе существуют разнообразные белки и они участвуют во всех процессах, связанных с жизнедеятельностью животных и растений. Свыше половины сухого веса клетки приходится на долю сотен и тысяч белков, выполняющих самые разные биологические функции. Белки отличаются друг от друга составом, структурой, свойствами и биологической специализацией. Если для описания простых органических молекул достаточно знать элементный состав, молекулярную массу, порядок связей атомов в молекуле, то в случае белков всего перечисленного совершенно не достаточно. При изучении белков приходится устанавливать их так называемые первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру.

Так возникает α-спираль, как назвали рассматриваемую структуру предложившие ее Полинг и Кори (1950 г). Почему возникает именно α- спираль? Оказывается, только в случае α-спирали возможно образование водородных связей между всеми способными на это водородами и кислородами полипептидной цепи. Образование структуры типа α-спирали с множеством водородных связей придает ей значительную устойчивость

Благодаря рентгеноструктурному анализу параметры α-спирали стали известны даже раньше, чем она была предложена. Оказалось, что шаг спирали составляет 0,54 нм, расстояние между одноименными группами в цепи – 0,15 нм, угол между горизонталью и плоскостью, занимаемой аминокислотным остатком, составляет 26⁰. Виток спирали включает 3,6 аминокислотных остатка.

Известно, что имеется и другой тип пространственной организации полипептидной цепи -β-конформация или складчатая β-структура. Она возникает в результате образования водородных связей между соседними полипептидными цепями, лишенными таких же внутримолекулярных связей. Для возникновения β-конформации необходимо, чтобы заместители при α- углеродных атомах аминокислотных остатков имели сравнительно небольшие размеры. Интересно, что чаще встречается β-конформация между антипараллельными полипептидными цепями, т.е. когда из двух цепей одна вытянута в направлении от N-концевой аминокислоты к С-концевой аминокислоте, а другая наоборот.

В заключение отметим, что α-спиральная и складчатая β-структуры полипептидных цепей и составляют вторичную структуру белка.

Третичная структура белка. Входящие в полипептидную цепь аминокислоты могут содержать, кроме амино- и карбоксигруппы, много других функциональных групп. Эти группы могут взаимодействовать друг с другом и обеспечить появление дополнительной связи между соседними петлями полипептидной цепи. Взаимодействия между функциональными группами в пределах одной полипептидной цепи можно отнести к следующим четырем случаям.

1. Водородные связи. Они возникают, например, между водородом гидроксильной группы остатка серина в одном участке полипептидной цепи и азотом остатка гистидина в другом участке той же цепи.

2. Ионные связи. Электростатическое притяжение между разноименно заряженными функциональными группами появляется, например, между –СОО^- ионом остатка глутаминовой кислоты и NН₃⁺ ионом остатка лизина.

3. Ковалентные связи. Они образуются, например, при связывании отдельных петель цепи дисульфидными связями в остатке цистина.

4. Гидрофобные взаимодействия. Они возникают между гидрофобными заместителями (метил, этил, изопропил, фенил) в аминокислотных остатках в полипептидной цепи.

Благодаря вышеуказанным взаимодействиям каждая α-спираль сама может быть, по предположению Полинга, закручена в суперспираль, имеющий один виток на 35 витков более простой спирали в случае α- кератина. Структурирование α-спирали в спираль более высокого порядка и называют третичной структурой белка.