KARBOKSIRŪGŠTYS IR JŲ FUNKCINIAI DARINIAI

5.1. Karboksirūgščių struktūra, nomenklatūra ir fizikinės savybės

Karboksirūgštimis vadinami organiniai junginiai, kurių struktūroje yra karboksigrupė

Karboksirūgštys klasifikuojamos pagal karboksigrupių skaičių (monokarboksi-, dikarboksi-, trikarboksi- ir polikarboksirūgštys) bei pagal anglies atomų grandinės tip¹ (sočiosios, nesočiosios, aromatinės ir t.t.).

Bendroji sočiųjų rūgščių formulė – C_nH_2n+1COOH.

Pagal sisteminź nomenklatūr¹ sočiosios karboksirūgštys vadinamos atitinkamų angliavandenilių (kurių C atomų skaičius toks pat, kaip ir rūgšties molekulė) pavadinimais, pridedant žodį rūgštis.

Mažesnės molekulinės masės karboksirūgštys (C₁-C₉) yra skystos medžiagos, kitos (C₁₀- ir daugiau) – kietos.

Karboksirūgštims būdinga tarpmolekulinė asociacija:

Asociatai išlieka iš dalies tirpaluose ir netgi garuose.

Karboksirūgščių molekulės yra difiliškos: turi hidrofilinį fragment¹ –COOH ir hidrofobinį angliavandenilio radikal¹ –R. Ilgėjant radikalo anglies atomų grandinei molekulės difiliškumas išauga, o tirpumas vandenyje mažėja. Sočiosios monokarboksirūgštys pradedant C₁₀ vandenyje praktiškai netirpsta. HCOOH, CH₃COOH, CH₃CH₂COOH – aštraus erzinančio kvapo, deginančios gleivinź rūgštys.

5.2. Sočiųjų karboksirūgščių ir jų darinių cheminės savybės

Karboksirūgštys priklausomai nuo reagento savybių bei reakcijos s¹lygų gali reaguoti su nukleofilais, elektrofilais arba su laisvaisiais radikalais.

Rūgštinės savybės, neutralizacijos reakcijos ir druskų hidrolizė

CH₃COOH HCOOH ClCH₂COOH O₂NCH₂COOH Cl₂CHCOOH Cl₃CCOOH H₂CO₃

pKa  4.76 3.75 2.85 1.7 1.25 0.66 6.3

Karboksirūgšties mišinys su jos druskomis vadinamas buferine sistema.

Bazinės savybės

Karboksirūgštys rūgščioje terpėje (pH < 2) nedisocijuoja.

Karboksirūgščių bazingumas panašus į ketonų, tačiau mažesnis už alkoholių ir eterių.

Sieros rūgšties (70%) tirpale apie 50% karboksirūgšties molekulių egzistuoja katijono formoje.

Karboksirūgštys – acilinimo reagentai

Acilinimas – karboksirūgščių ir jų darinių nukleofilinė pakeitimo reakcija (S_N), kurios metu acilgrupės anglies atomas sudaro cheminį ryšį su nauju nukleofilu.

Halogenų acilinimas

Acilhalogenidai yra daug aktyvesni acilinimo reagentai už atitinkamas karboksirūgštis ir naudojami organinėje sintezėje karboksirūgštims, alkoholiams, tioliams, aminams bei arenams acilinti.

Karboksirūgščių O-acilinimas

Alkoholių O-acilinimas

Organizme alkoholių acilinim¹ katalizuoja fermentas, kuris ne tik aktyvina reagentus, bet ir hidrofobine s¹veika šalina vandenį iš reakcijos centro.

Tiolių S-acilinimas

Biosistemose dažniausiai R CH₃.

Acilkofermentų A susidarymas organizme reikalingas karboksirūgščių, dalyvaujančių ne tik acilinimo, bet ir kondensacijos bei dekarboksilinimo reakcijose, aktyvinimui.

ANB organizme ypatingai efektyviai perneša acetilgrupź.

Aminų N-acilinimas

Efektyviausi N-acilinimo reagentai yra karboksirūgščių halogenanhidridai.

C-Acilinimas (žiūr. Oksidacinės-redukcinės savybės)

Biosistemose dažniausiai acilinami alkoholiai, tioliai, aminai bei karboniliniai junginiai kofermento A arba acilnešėjų baltymų tioesteriais.

Organinėje sintezėje acilinimui dažniausiai naudojami rūgščių anhidridai arba halogenanhidridai.

Karboksirūgščių dariniai, jų savybės ir kitimai

Gyvame organizme dažniausiai aptinkami šie karboksirūgščių dariniai: esteriai (alkoholių O-acildariniai), tioesteriai (tiolių S-acildariniai) ir amidai (amoniako ar aminų N-acildariniai).

Esteriams būdingos nukleofilinės pakeitimo reakcijos (S_N): hidrolizė ir acilinimas.

Hidrolizė

 

Muilinimo reakcija negrįžtama.

Tioesteriai yra žymiai aktyvesni hidrolizės reakcijose už esterius. Ryšys C-S acilkofermente A – makroerginis. Hidrolizuojantis CH₃COSCoA išsiskiria daugiau energijos (32.9 kJ/mol) negu ATP (30.5 kJ/mol).

Esteriai – alkoholių ir aminų acilinimo reagentai

Chemijoje ši reakcija vadinama peresterinimo, o biochemijoje – transacilinimo. Organizme acilų šaltinis – acilkofermentas A:

Esteriai reaguoja su amoniaku, pirminiais ar antriniais aminais sudarydami amidus.

Amidų struktūra ir savybės

Amidai pasižymi silpnomis rūgštinėmis bei bazinėmis savybėmis.

Amidams kaip ir esteriams būdingos nukleofilinio pakeitimo reakcijos (S_N) - hidrolizė ir acilinimas:

Karboksirūgščių darinių sintezės ir jų tarpusavio virsmų schema

Karboksirūgščių anhidridai ir halogenanhidridai organizme neaptinkami. Jiems pagal gebėjim¹ acilinti artimi organizme aptinkami acilkofermentai A (RCOSCoA).

Karboksirūgščių ir jų darinių oksidacinės-redukcinės savybės

H⁺ - oksidatorius

Karboksirūgštys oksiduoja elektrocheminėje įtampų eilėje prieš vandenilį stovinčius metalus: (Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au)

Karboksigrupės C atomo oksidacinės-redukcinės savybės

(dekarboksilinimo reakcijos)

Dekarboksilinimo reakcijos gali vykti pagal homolizinį (laisvaradikalinį) arba heterolizinį (elektrofilinį-nukleofilinį) mechanizm¹. Laisvaradikalinis mechanizmas labiau tikėtinas aukštatemperatūrinėms reakcijoms, o elektrofilinis-nukleofilinis – katalizinėms ir fermentinėms reakcijoms.

a-Padėties C atomo oksidavimas ir jo kondensacijos reakcijos

Karboksigrupės elektronų akceptorinis efektas padidina vandenilio atomų, sujungtų su a-C atomu, judrum¹, o pastarojo gebėjim¹ dalyvauti oksidaciniuose redukciniuose kitimuose.

Šioje reakcijoje a-C – reduktorius. Reakcija vyksta pagal laisvaradikalinį mechanizm¹.

Ši reakcija yra nukleofilinė pakeitimo reakcija (C-acilinimo, Klaizeno kondensacija). Nežiūrint į tai, kad organizme yra H₂O terpė, tokia reakcija labai paplitusi karboksirūgščių metabolizme:

5.3. Karboksirūgščių ir jų darinių, turinčių kitų funkcinių grupių, savybių ypatumai

Daugelis metabolitų karboksirūgščių be karboksigrupės turi ir kitų funkcinių grupių, apsprendžiančių tokių rūgščių ir jų darinių savybių ypatumus.

Dikarboksirūgštys

lentelė. Reikšmingiausios gyvosios gamtos sočiosios dikarboksirūgštys

Dikarboksirūgštys disocijuoja palaipsniui (rūgštis disocijuoja lengviau negu anijonas):

Tolstant karboksigrupėms anglies atomų grandinėje vienai nuo kitos karboksirūgščių rūgštingumas mažėja.

Karboksirūgštys sudaro dvi eiles funkcinių darinių:

Kalcio oksalatai blogai tirpūs vandenyje. Inkstuose ir šlapimo pūslėje susidarančių akmenų pagrindinė komponentė yra kalcio oksalatai.

Dėl dviejų karboksigrupių s¹veikos dirūgštims būdingos specifinės cheminės savybės: oksidacinės-redukcinės dismutacijos (dekarboksilinimo) ir dehidratavimo reakcijos.

Di- ir ypač trikarboksirūgščių dekarboksilinimo reakcijos paplitź biocheminiuose procesuose.

Ilgesnės anglies atomų grandinės dirūgštims (gintaro, glutaro) būdinga dehidratavimo reakcija.

Malono rūgščiai ir ypač jos esteriams būdingos a-CH₂ grupės, aktyvintos dviejų kaimyninių karbonilgrupių, kondensacijos (C-acilinimo) reakcijos, kuriose ji reaguoja kaip nukleofilas (reduktorius).

Ši reakcija vyksta gyvame organizme riebalų rūgščių biosintezėje.

Gintaro rūgštis turi dvi aktyvintas metileno grupes, todėl organizme lengvai dehidrinasi:

Reakcija stereospecifinė, kadangi vandeniliai atskeliami tik iš trans-padėčių. Ši reakcija yra viena iš Krebso ciklo stadijų.

Dirūgštys sudaro patvarius chelatus:

Hidroksikarboksirūgštys

8 lentelė. Reikšmingiausios biogeninės hidroksikarboksirūgštys

Pagal hidroksigrupių išsidėstym¹ anglies atomų grandinėje karboksigrupės atžvilgiu gali būti a b g d- ir kitos hidroksirūgštys:

Daugelio hidroksirūgščių molekulės yra chiralinės. Joms būdinga erdvinė izomerija.

D,L-pieno rūgštis (D,L-racematas; rūgusiame piene, raugintose daržovėse).

Stereoizomerai (optiniai izomerai, enantiomerai) skiriasi ne tik kai kuriomis fizikinėmis savybėmis, bet ir biologinėmis bei fiziologinėmis funkcijomis.Gyvame organizme paprastai egzistuoja vienas erdvinis izomeras.

Specifinės hidroksikarboksirūgščių savybės – jų dehidratavimo reakcijos, vykstančios temperatūros poveikyje.

Panašios dehidratavimo reakcijos vyksta organizme (riebalų rūgščių b-oksidavimas ir citrinų rūgšties dehidratavimas Krebso cikle). Jas skatina fermentai dehidratazės.

Vidinė molekulinė a-hidroksikarboksirūgščių oksidacinė-redukcinė dismutacija skylant C-C ryšiui:

Organizme hidroksikarboksirūgštys dehidrinamos fermentų dehidrogenazių ir kofermento NAD⁺:

Tai svarbi riebalų rūgščių b-oksidavimo stadija.

Panaši reakcija vyksta Krebso cikle:

Oksokarboksirūgštys

Skirstomos į aldo- ir ketokarboksirūgštis.

9 lentelė. Biogeninės oksokarboksirūgštys ir jų biologinis vaidmuo

Oksokarboksirūgštys organizme susidaro iš hidroksikarboksirūgščių:

Oksokarboksirūgštys yra stipresnės už hidroksikarboksirūgštis. Organizmo bioterpėje (pH 7) jos paprastai būna anijonų formoje.

Dėl karbonil- ir karboksigrupių s¹veikos oksokarboksirūgštims būdingos specifinės savybės, daugiausia tai oksidacinės-redukcinės dismutacijos reakcijos.

C-C ryšio skilimo raekcijos

Piruvo rūgšties dekarboksilinimo reakcija vyksta ir organizme:

Palyginus su a-oksorūgštimis b-oksorūgštys dekarboksilinasi lengviau.

Organizme skyla C_b-C_a ryšys:

Šia reakcija baigiasi kiekvienas riebalų rūgščių b-oksidavimo ciklas.

C-C ryšio susidarymo reakcijos

Oksokarboksirūgštys dalyvauja aldolinės kondensacijos reakcijose (A_N), kurių metu susidaro naujas C-C ryšys.

C-C ryšys susidaro karboksilinant oksokarboksirūgštis. Reakcijos metu pailgėja C atomų grandinė:

Redukcijos reakcijos

Ši reakcija vyksta organizmo raumenyse, kai trūksta O₂.

Šia reakcija biosubstratuose vyksta okso- ir aminogrupių pasikeitimas.

Ketoenolinė tautomerija

Tautomerų pusiausvyr¹ organizme reguliuoja fermentai tautomerazės.

Vyrauja silpnesnėmis rūgštinėmis savybėmis pasižymintis tautomeras.

Kompleksodara

Šia oksokarboksirūgščių savybe pasinaudojama sintetinant vaistinius preparatus, skirtus toksiniams jonams šalinti iš organizmo.

Nesočiosios karboksirūgštys

Poliakrilatai taikomi stomatologijoje protezams gaminti. Vandenin s poliakrilatų emulsijos naudojamos medicininių klijų ir minkštųjų pleistrų gamyboje.

Svarbiausios ilgesnės anglies atomų grandinės nesočiosios karboksirūgštys yra šios: oleino rūgštis (C₁₇H₃₃COOH), linolo rūgštis (C₁₇H₃₁COOH), linoleno rūgštis (C₁₇H₂₉COOH) ir arachidono rūgštis (C₁₉H₃₁COOH).

Gamtinėms nesočiosioms karboksirūgštims būdinga cis-konfigūracija ir U-forma, dėl kurios negalima molekulių tankioji sanglauda. Todėl normaliomis s¹lygomis ilgesnės anglies atomų grandinės gamtinės nesočiosios karboksirūgštys yra skystos medžiagos. Jos yra pagrindiniai augalinių aliejų komponentai. Linolo, linoleno ir arachidono rūgščių žmogaus organizmas nesintetina. Jos (“nepakeičiamosios”) turi būti gaunamos su maistu (~ 5 g per dien¹) ir mažina cholesterolio kiekį kraujuje. Arachidono rūgštis reikalinga svarbiems bioreguliatoriams – prostaglandinams susidaryti.

Biosistemose nesočiosios karboksirūgštys aptinkamos glicerolio esterių pavidale (skystieji aliejai). a b-Nesočiosios rūgštys gyvame organizme susidaro riebalų rūgščių b-oksidavimo metu.

a b-Nesočiosioms rūgštims būdingos dvigubojo ryšio reakcijos.

Dėl dvigubųjų ryšių buvimo gamtinės nesočiosios rūgštys ir jų funkciniai dariniai organizme oksiduojasi ir dėl to gali slopinti laisvaradikalinį oksidavim¹ (vienas augalinių aliejų naudingumo faktorių). Oleino, linolo ir linoleno rūgštys hidrinasi iki stearino rūgšties C₁₇H₃₅COOH.

Paprasčiausios nesočiosios dirūgštys yra maleino ir fumaro rūgštys:

Maleino rūgštis yra nuodinga ir gamtoje neaptinkama. Fumaro rūgštis aptinkama augaluose. Ypač daug jos yra grybuose. Žmogaus organizme fumaro rūgštis dalyvauja metabolizme, prijungdama H₂O ir sudarydama obuolių rūgštį Krebso cikle.

Pagrindinės karboksirūgščių metabolizmo reakcijos

Karboksirūgščių yra daug gyvūnų ir ypač augalų l¹stelėse. Jos yra pagrindiniai maisto medžiagų – riebalų, baltymų ir angliavandenių – kitimo produktai. Be to, daugelis esančių l¹stelėje arba patenkančių į j¹ organinių medžiagų paskutiniuose katabolizmo (disimiliacijos) etapuose virsta vienokia ar kitokia karboksirūgštimi.

Tuo pačiu metu karboksirūgštys sintetinamos l¹stelėse, t.y., jos yra anabolizmo (asimilicijos) produktai, kadangi jos būtinos l¹stelės ir apskritai viso organizmo gyvybingumui.

Riebalų rūgščių biosintezė

Organizme – tai daugiastadijinis ciklinis procesas. Nors jis prasideda HSCoA acetilinimu ir CH₃COSCoA susidarymu, tačiau pirm¹ja stadija laikoma CO₂ kondensacija su CH₃COSCoA, kurios metu susidaro malonilkofermentas A:

Acetoacetilkofermento A karbonilgrupė redukuojama trimis stadijomis:

Šio oksidacijos-redukcijos reakcijų, katalizuojamų fermentų ansamblio ir susijusių su ATP hidrolize, ciklo rezultatas – dvejais C atomais pailgėjusi C atomų grandinė. Toliau butirilkfermentas A kondensuojasi su CO₂ ir kartoja reakcijų cikl¹. Palmitino rūgšties biosintezė susideda iš 7 tokių ciklų. Suminė jos sintezės lygtis gali būti pavaizduota taip:

Riebalų rūgščių biologinis oksidavimas

Riebalų rūgštimis vadinamos sočiosios ir nesočiosios karboksirūgšrys, kurių C atomų grandinėje yra daugiau negu 12 C atomų.

Riebalų rūgščių oksidavimas organizme – labai reikšmingas procesas. Gali oksiduotis jų molekulių a b- ir w-padėčių C atomai, tačiau dažniausiai vyksta b-oksidavimas.

Riebalų rūgščių b-oksidavimas

Riebalų rūgščių b-oksidavimas – oksidacijos-redukcijos reakcijų, vykstančių mitochondrijose, seka:

1 reakcija. D e h i d r i n i m a s

2 reakcija. H i d r a t a v i m a s

3 reakcija. D e h i d r i n i m a s

4 reakcija. S k a i d y m a s (C_b - C_a skilimas)

Vieno ciklo rezultatas – anglies atomų grandinė sutrumpėja 2 C atomais.

Oksiduojant vien¹ molekulź stearino rūgšties išsiskiria 40 molekulių ATP, o įvykus visiškai jos oksidacijai iki CO₂ ir H₂O (įskaitant Krebso cikl¹) viso susidaro 146 molekulės ATP. Taigi, riebalų rūgščių oksidavimas yra labai svarbus organizmo energetikos procesas.

Riebalų rūgščių a-oksidavimas

Tai ciklinio pobūdžio procesas, vykstantis augaluose.

1 reakcija. O k s i d a v i m a s

Anglies atomų grandinė sutrumpėjo vienu C atomu.

2 reakcija. H id r a t a v i m a s ir o k s i d a v i m a s

Toliau ciklas kartojasi.

Riebalų rūgščių w-oksidavimas

Gyvūnų kepenyse ir kai kuriuose mikroorganizmuose yra fermentų sistema, kuri nukreipia riebalų rūgščių oksidavim¹ į galinź (w-) CH₃-grupź.

Toliau w-dikarboksirūgštis dalyvauja bet kuriuo galu b-oksidavimo cikle (C atomų grandinė trumpėja 2 C atomais).

Nešakotų C atomų grandinių riebalų rūgščių oksidavimas vyksta sklandžiai bet kuriuo nagrinėtu būdu. Jeigu grandinėje pasitaiko atšaka (alkilas ar fenilas) – biologinis oksidavimas toje vietoje nutrūksta. Tai reikia turėti galvoje sintetinant skalbimo priemones, kad jų oksidavimo produktais nebūtų teršiama aplinka.

Di- ir trikarboksirūgščių ciklas (Krebso ciklas, citrinų rūgšties ciklas)

Trikarboksirūgščių ciklo suminė reakcija – acto rūgšties oksidavimas iki CO₂ ir H₂O. Šis procesas gali virsti energijos šaltiniu arba sudaryti tarpinius, biosintezėms reikalingus junginius. Acto rūgštis į Krebso cikl¹ įeina acetilkofermento A pavidale.

1-oji s t a d i j a

2-oji s t a d i j a

3-oji s t a d i j a (a)

3-oji s t a d i j a (b)

4-oji s t a d i j a

Šia stadija baigiasi acetilkofermento A oksidavimas iki CO₂ ir H₂O.

5-oji s t a d i j a

6-oji s t a d i j a

7-oji s t a d i j a

8-oji s t a d i j a

Susidarźs oksalilacetatas vėl reaguoja su nauja acetilkofermento A molekule (1 stadija).

Iš 11 Krebso ciklo reakcijų 9-iose vyksta oksidacinis-redukcinis disproporcionavimas (5-iose reakcijose jis yra tarpmolekulinio, o 4-iose – vidinio molekulinio pobūdžio) dalyvaujant C atomams.

Vieno Krebso ciklo metu susidaro 12 molekulių ATP. Visiško 1 molekulės palmitino rūgšties (C₁₅H₃₁COOH) oksidavimo (įskaitant ir b-oksidavim¹) metu mitochondrijoje sintetinamos 129 molekulės ATP, o 1 molekulės stearino rūgšties (C₁₇H₃₅COOH) – 146 molekulės ATP.Krebso ciklo fermentų ansamblio darbas nuostabiai patikimas. Nežinomos jokios patologinės būsenos, kurios slopintų šių fermentų aktyvum¹. Tai rodo Krebso ciklo reakcijų svarb¹ organizmui ir puiki¹ jų apsaug¹ nuo išorinių veiksnių.

Aromatinės karboksirūgštys ir jų dariniai – vaistinės medžiagos

Paprasčiausia aromatinė rūgštis – benzenkarboksirūgštis – gamtoje randama spanguolėse, bruknėse, kai kuriuose balzamuose ir dervose. Žolėdžių gyvūnų šlapime jos yra hipūro rūgšties, C₆H₅CONHCH₂COOH, pavidale. Pastaroji susidaro kepenyse iš benzenkarboksirūgšties ir glicino. Pasišalina iš organizmo su šlapimu. Taigi, glicinas detoksikuoja iš augalinio maisto susidariusi¹ benzenkarboksirūgštį.

Aromatinių rūgščių cheminės savybės panašios į alifatinių. Jos sudaro druskas, esterius bei amidus. Reakcijos žiede vyksta pagal S_E reakcijų mechanizm¹ ir susidaro m-pakeisti junginiai.

Salicilo rūgšties dariniai

Ievų lapuose aptinkamų salicilatų gydomosios savybės buvo žinomos senovėje. Tų laikų medikai sėkmingai naudojo gydymui (skausmui malšinti, karštligei slopinti) lapus.

4-Aminobenzenkarboksirūgšties dariniai (anestetikai)

Anestetikai mažina organizmo jautrum¹.

Išmokź šį skyrių turite žinoti:

karboksirūgščių ir jų darinių struktūr¹, klasifikavim¹, nomenklatūr¹;

karboksirūgščių ir jų darinių rūgštines-bazines, elektrofilines-nukleofilines, oksidacines-redukcines bei kompleksodarines savybes;

pagrindines karboksirūgščių metabolizmo organizme reakcijas.