Раздел 4. Изомерия биоорганических соединений

Исходный уровень знаний для усвоения темы основан на школьных программах органической химии, физики (темы электромагнитные явления, оптика), разделах 1, 2, 3 данного пособия.

Виды изомерии органических соединений, пространственная ориентация орбиталей атома углерода в состоянии гибридизации С sp³ и С sp² , , плоско-поляризованный луч света, понятия « изомерия», « изомеры», «тетрагональный (тетраэдрический) и тригональный» атомы углерода,

Для усвоения темы и приобретения компетенции по данному разделу надо знать:

- виды изомерии,

- геометрическую изомерию на примерах бутена -2, бутендиовой и кротоновой кислот,

таутомерные кето-енольные превращения на примерах ацетальдегида, ацетона, 3-оксобутановой, пировиноградной, оксобутандиовой кислот,

-таутомерные лактим-лактамные превращения на примерах урацила, тимина, цтозина, гуанина,

- признаки оптически активных (хиральных) соединений, стереорядов.

- правила составления формул стереоизомеров в проекциях Фишера.

- определения энантиомер, диастереомер

- оптическую изомерию на примерах глицеринового альдегида, молочной, яблочной, винной кислот в проекциях Фишера.

Ключевые слова

ахиральный центр, диастереомер, енол , изомер изомерия , конфигурация , конформация, конформер , лактам , лактим, мезо-форма , поляриметр , проекция Фишера, равновесие прототропное , рацемат , стереоизомер (геометрический, оптический), стереоряд, центр хиральный, энантиомер

Содержание раздела (Дидактические единицы)

4.1. Виды изомерии (структурная, пространственная, статическая, динамическая)

4.2. Структурная изомерия: межклассовая, внутри одного класса (углеродной цепи, размера цикла, положения функциональной группы). Изомерия карбонильной группы (альдегид, кетон). Изомерия аминогруппы (первичный, вторичный, третичный амины).

4.3. Динамическая прототропная изомерия (таутомерия). Виды таутомерии: кето-енольная, лактим-лактамная. Роль СН – кислотного центра в образовании енольной формы.

4.3.1. Кето-енольная таутомерия на примере ацетальдегида, ацетона, пировиноградной (2-оксопропановой кислоты), щавелевоуксусной (2-оксобутандиовой), ацетоуксусной (3-оксобутановой).

Сравнение устойчивости енольных форм ацетоуксусной кислоты. Сравнение устойчивости енольных форм пировиноградной и щавелевоуксусной кислот между собой. Фосфоенолпируват – макроэргическое соединение.

4.3.2. Лактим-лактамная таутомерия на примере азотистых оснований нуклеиновых кислот (урацила, тимина, гуанина, гипоксантина ) и пептидной группы белка.

4.4.Пространственная изомерия (стереоизомерия).

4.4.1. Пространственная геометрическая (цис-, транс-изомерия).

Примеры: бутен-2, бутендиовые кислоты (фумаровая, малеиновая).

4.4.2. Пространственная изомерия циклогексановых структур

( кресло, ванна ) - присутствие в природных веществах (холестерин, стероидные гормоны, циклические формы моносахаров)

4.4.3. Оптическая изомерия. Хиральный атом углерода. Стереоряды ( D, L). Определение стереоряда. Абсолютный знак вращения. Оксикислотный ключ Розанова. Определение числа стереоизомеров по количеству хиральных центров N = 2ⁿ. Энантиомеры, диастереомеры. Рацемическая смесь.

Примеры: глицериновый альдегид, молочная, 2-аминопропановая,

яблочная, 3-гидроксимасляная, винная кислоты.

Приложение. Основы теории.

Изомерия

Структурная Стерео ( пространственная )

- скелета - геометрическая (цис-, транс)

- размера цикла - оптическая (зеркальная)

- положения кратной связи

- положения функциональной

группы

- строения функциональной

группы

- прототропная( таутомерия)

Особого внимания заслуживает прототропная таутомерия, важная для биологических систем.

Прототропная изомерия (таутомерия): кето-енольная и лактим- лактаминая.

- С – СН2 - ↔ - C = CH - С- NH ↔ - C = N -

|| | || |

O OH O OH

кето-форма енольная форма лактамная форма лактимная форма

Енольная форма пировиноградной кислоты в растительных и животных клетках образует фосфорный эфир - фосфоенолпируват, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением. Энергия макроэргической связи в нем выше по сравнению с АТФ. Это соединение служит для образования АТФ, реакция относится к необратимым.

СООН

| + АДФ —> АТФ + СН ₃— С — СООН

C ~ ОРО₃Н₂ ||

|| О пировиноградная кислота

СН₂

фосфоенолпируват (~ обозначение макроэргической связи)

название значка «тильда»

Енольные формы кетокислот дают качественную реакцию аналогичную фенолу с хлоридом железа (+3). На этом основано экспресс - определение в моче новорожденных фенилпировиноградной кислоты (2-оксо - 3-фенилпропановой) для обнаружения фенилкетонурии - наследственной патологии обмена фенилаланина.

Для образования комплементарных пар: аденин- тимин, гуанин – цитозин, азотистые основания: соединения ( Г, Ц, Т ) должны иметь лактамное строение.

На рисунках приведены структурные формулы азотистых оснований в лактамной форме.

Тимин Цитозин Гуанин

Стереоизомерия.

Стереоизомерия шестичленных циклов на примере циклогексана

Конформация кресло (а), конформация ванна( б)

Стереоряды. Графическое изображение.

D - глицериновый альдегид L - глицериновый альдегид

Обучающая задача 1.

В процессе энергетического обмена в цикле Кребса образуется фумаровая кислота. В научных исследованиях обнаружено, что ее изомер - малеиновая кислота препятствует прохождению реакций цикла Кребса (ингибирует). Какие отличия могут вызвать их различную биологическую активность? Дайте название кислотам по систематической номенклатуре.

Решение.

1.Запишем структурные формулы фумаровой и малеиновой кислот с учетом их пространственного строения. Геометрическая изомерия возникает из-за того, что вокруг двойной связи невозможно свободное вращение састей молекулы. Расположение негибридных р- орбиталей перпендикулярно плоскости, в которой находятся атомы углерода, образующие кратную связь, поворот возможен только при разрыве двойной связи.

транс-бутендиовая кислота цис-бутендиовая кислота

фумаровая малеиновая

2. Выделим их главное отличие: различное пространственное расположение функциональных групп по отношению к двойной связи.

3. Биохимические реакции проходят с участием особых катализаторов белковой природы - ферментов. Ферменты обладают стереоспецифичностью. Они «различают» зеркальны, геометрические изомеры одного вещества.

Обучающая задача 2

Для научных опытов надо использовать энантиомеры яблочной (2 –

гидроксибутандиовой) кислоты. Составьте структурные формулы стереоизомеров.

1.Запишем формулу по систематическому названию.

НООС – С*Н(ОН)- СН2-СООН

старшая группа радикал

2. Определим асимметрический атом углерода (признак - содержит 4 разных заместителя), отметим его (*)

3. Напишем структурные формулы в проекции Фишера. Поставим 4 связи от асимметричного атома углерода. По отношению к асимметрическому атому углерода старшей карбоксильной группой является та, которая находится ближе к нему (расположим ее вверху, а радикал - внизу).

СООН СООН

| |

НО – С*– Н Н – С* –ОН

| |

СН2 –СООН СН2 –СООН

L – яблочная кислота D – яблочная кислота

(L – малат) (D – малат)

4. Определим стереоряды обоих зеркальных изомеров (движение от атома Н через старшую группу к группе ОН по часовой стрелке - D ряд, против часовой стрелки - L ряд).