Генетические ряды, Номенклатура энантиомеров - Оптические изомеры и их влияние на организм человека

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).

d- иl-глицериновый альдегид и d- и l-рибоза

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.

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

энантиомеры 2-бром- 2иодбутана

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).

проекционные формулы фишера (на примере 1-бром-1хлорэтана и 2-бром-2-йодбутана)

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).

конфигурация (на примере s- энантиомера 1-бром-1-хлорэтана)

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.

энантиомеры глицеринового альдегида

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.

(-)-5-(1,3-диметилбутил)-5-этилбарбитуровая кислота (слева) и его (s)-(-)-антипод

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.

кислоты

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.

кислота

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.

энантиомеры карвона (слева-запах тмина, справа - 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).

соответствие геометрии молекул анальгетиков и модели рецептора

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.

Похожие статьи




Генетические ряды, Номенклатура энантиомеров - Оптические изомеры и их влияние на организм человека

Предыдущая | Следующая