Stereoizomerii, importanța acestuia pentru activitatea biologică
1. Conceptul de izomeri. Izomerii STRUCTURALE SI SPATIALE.
Știința care studiază structura spațială a compușilor organici și influența sa asupra proprietăților fizice și chimice ale materiei, natura și mecanismul proceselor chimice, numite stereochimie.
Stereochemistry folosește pe scară largă astfel de concept ca o structură spațială a moleculei. Ar trebui să distingă termenii „structură chimică“ și „structură spațială“. Ele nu sunt identice. Potrivit AM Butlerova de natura chimică și structura se înțelege o secvență de atomi din molecula compusului conform cu natura legăturii chimice dintre ele. Structura - este un termen larg și este folosit pentru a descrie nu numai o structură chimică, ci și dispunerea spațială reciprocă a atomilor intr-o molecula, configurații și conformației sale.
structură spațială chimică diferită este baza fenomenului de izomerie. Izomerii sunt compuși având aceeași compoziție dar secvență diferită.
Izomerie este subdivizat în: 1) bloc (structura izomerie) și 2) spațiu (stereoizomeri) - legarea de atomi și (sau) localizarea lor în spațiu.
Prin structura izomerilor sunt compuși diferiți:
a) o structură schelet de carbon (de exemplu, butan și izobutan);
b) poziția legăturii multiple sau o grupare funcțională (de exemplu, butenă-1 și butenă-2, 1-propanol și 2-propanol);
c) natura grupelor funcționale (de exemplu, propanal și 2-propanonă).
În spațiul tridimensional, un fenomen care se numește stereoizomerie. Stereoizomeri - este izomerii diferă în aranjamentul atomilor în spațiu.
2. CONFIGURARE stereoizomeri formula stereochimică.
Configurare - un aranjament spațial definit de atomi în moleculă, fără a lua în considerare diferențele apărute datorită rotației despre legături simple (una sau mai multe).
atom sp carbon în 3 - starea gibridizo Wann are o configurație tetraedrică, adică Amplasat în inima unui tetraedru imaginar, iar patru vice-situat la nodurile tetraedru. configurație tetraedrică în planul reprezentat de formulele stereochimice.
configurația tetraedrică a atomului de carbon
(-) L- glyceraldehyde
Denumirile altor stereoizomeri dau prin compararea configurațiile lor cu configurația glyceraldehyde (independent de rotația optică). Stereoizomeri care sunt similare în configurație a-D glicerol aldehidă, sa referit la D-serie, similar cu configurația L-gliceraldehid - la L-serie. Astfel, un singur stereoizomer de acid lactic este denumit acid D-lactic, altele - acid L-lactic.
7. amestec racemic. Metodele de separare a racematului.
Deoarece enantiomeri sunt regioizomeri, la ce unghi un izomer rotește planul luminii polarizate spre dreapta, celălalt stereoizomer se va roti în acest plan, la același unghi la stânga. Când amestecarea de cantități echimolare de D - și L - stereoizomeri formați un amestec optic inactiv de titlu racemic primit. Acestea sunt formate, în general, în sinteze chimice fără condiții speciale. Astfel, de exemplu, un racemic D, L - acid lactic este format din acid 2-hlorpropanovoy prin acțiunea unei soluții apoase de NaOH.
In procesele de glicoliza anaerobă în corpul D-glucoza se formează acidul numai L-lactic (procesul merge enzime care implică).
Operațiile nu de separare optic activ al amestecurilor racemice în componentele lor constitutive optic activi (precum și procese chimice care stau la baza) se numesc clivaj. Pentru separarea amestecurilor racemice folosind mecanice, microbiene, enzimatice, chimice și alte metode.
Metoda mecanică (metoda de Pasteur). Pentru prima dată, această metodă în 1848, Louis Pasteur separat in sare a acidului tartric componentelor active optic natriyammoniynuyu. Esența acestei metode constă în faptul că, la anumite componente de temperatură (joasă) amestecuri racemice cristalizeze sub formă de cristale, structura lor oglindă diferite. În cazul în care cristalele sunt suficient de mari (ca în cazul sării), apoi cu ajutorul unei lupe sau un microscop ele pot fi separate mecanic unul de altul. Cristalele au fost apoi dizolvate separat în apă (sau alt solvent) și determinarea activității lor optice. Acest lucru este realizat Lui Paster, obținerea de soluții optic active ale amestecului racemic optic inactiv.
În prezent, această metodă este folosită tot mai greu și este de o importanță istorică.
Metoda microbiologică. Dacă un mediu nutritiv pentru microorganisme se cultivă un amestec racemic, microorganismele apoi cresc absorb din ea și să absoarbă numai unul dintre enantiomeri. Al doilea este în mediu. Metoda este simplă și ieftină. Cu toate acestea, din păcate, în mediul de cultură este, de obicei, o alta - nu nuzh ny enantiomer. Codul genetic este universal și microorganismele utilizate pentru metabolismul, creșterea și reproducerea enantiomerului trebuie distins.
Metoda Enzymatic. Această metodă a fost propusă mult mai târziu decât primele două. Utilizarea acestuia a fost posibilă datorită dezvoltării unor metode speciale de chimie a proteinelor, permițând izolată din țesuturi animale și obținerea în formă cristalină pură proteine fermety. Cele mai multe enzime, cum ar fi microorganismele, capabile să distingă și a reacționat la o viteză mare, numai unul dintre enantiomerii unui amestec racemic. Astfel, pentru separarea amestecurilor racemice de aminoacizi sunt utilizate pe scară largă acilază enzima a fost izolată din rinichi de porc. Această enzimă este un derivat de mii de ori mai activi cliveaza N-acil ai L-aminoacizi decât reziduu de acid D-amino. Un format prin acțiunea acidului enzimei L-amino acid N-atsilD-amino CH3 COOH și prezintă și alte metode fizico-chimice. Trebuie remarcat faptul că metoda este eficientă, dar costisitoare. Pe langa proteine, enzimele nu sunt stabile - strict necesită o anumită temperatură, pH, reactivi denaturată sunt sensibili la, sunt un mediu nutritiv pentru microorganisme lor distructive.
Metoda de scindare chimică se bazează pe amestecurile racemice fac parte din amestecul de translație enantiomeri la diastereomeri, care diferă nu numai în semnul rotației optice, dar și alte proprietăți fizice - solubilitate, la punctul de fierbere, punctul de topire, etc. Folosind diferențele în aceste proprietăți, și cota lor. Pentru a converti enantiomerilor la diastereomeri, de obicei, transformați în sărurile lor, prin reacția cu alți compuși optic activi. Deci, pentru separarea amestecurilor racemice ale compușilor care conțin grupări acide, baze optic active - alcaloid izolat din plante (chinina, cinconina, stricnina, etc.). Dacă luăm amestecul racemic D, L-lactic și acid expuse L chinină, se formează cele două săruri:
1) reziduu de acid lactic-L * - L-chinina *
2) reziduu de acid D-lactic * -L- * chinina.
Aceste săruri sunt diastereomeri. Folosind diferențele în proprietățile fizice ale sărurilor, ele sunt separate unul de celălalt. Enantiomerii puri ai acidului lactic este deplasată dintr-o sare a unui acid mineral tare.
Din alte metode moderne trebuie alocate cromatografia de afinitate. Cromatografia Afinitate bazată pe capacitatea compușilor biologic activi pentru a interacționa numai cu amestec de substanțe specifice și formează complecși necovalente cu acestea se află sub influența soluției de eluare poate fi disociată. Astfel, în practica biochimice atunci când trece prin coloană cromatografică cu un amestec racemic adsorbant chiral secreta proteine (enzime, imunoglobuline, proteine receptor).
8. Stereoizomeri ai acidului malic.
Malic (săruri 2-gidroksibutandiovaya - malat) Acid monooksidikarbonovym se referă la acid este un membru al proceselor metabolice din organism (în ciclul Krebs). Acesta conține un centru chiral și există ca doi enantiomeri. Acid malic natural este un L- seria stereochimica.
9. stereoizomeri ai acidului tartric. s - diastereomeri.
Acid tartaric (2,3-dihidroxibutandioic, săruri - tartrați) conține doi centri chirali și ar trebui să aibă un mod formal 4 stereoizomeri configurația centri chirali diferite. De fapt, acidul tartric are trei stereoizomeri.
(+) D- tartric (-) L Acid mezovinnaya Acid tartaric
D, tartric L (acid tartric)
III și IV sunt stereoizomeri identici, formula lor de proiecție coincide cu permis de cotitură una dintre ele cu 180 ° în hârtie poskosti și corespunde aceluiași compus - acidul mezovinnoy. Acest lucru se datorează faptului că moleculele de acid tartric, există un plan de simetrie. acidul Mezovinnaya nu posedă activitate optică.
Regula „acidul hidroxi-cheie.“ La oxiacizilor având mai multe centre chirale, legate de D- sau L-număr definit de configurația superioară a unui centru chiral.
Dacă vom compara perechea de izomeri I și III, II și III, este evident că acestea nu sunt enantiomeri. Acest diastereomeri - stereoizomeri ai aceleași substanțe care nu sunt imagini în oglindă unul față de altul și au proprietăți fizice diferite (t ° punct de topire, solubilitatea, etc.).
Corespund definiția generală a diastereomeri forma cis și izomeri trans, caracterizate printr-un aranjament spațial diferit substituenților în raport cu planul p-comunicare.
10. Conceptul de configurație absolută; R, S-NOTATION SYSTEM CONFIGURARE.
In 1961, Kahn, Ingold și Prelog a propus un nou sistem de nomenclatură stereochimice, numit R, S - nomenclatură. În cadrul acestui sistem, la obișnuitele nume care exprimă caracteristicile chimice ale structurii unui compus chiral ca un prefix adăugat simboluri „R“ sau „S“, definește strict și fără ambiguitate configurația elementelor chirale ale moleculei. Acest sistem permite, pe baza unui caracter de configurare pentru a construi o structură tridimensională adevărată.
Pentru a indica configurația la asimetrici substituenții atomilor de carbon este considerat în ordinea descrescătoare a precedență definite prin numărul lor atomic în Periodic DI Mendeleev. Mai mult, modelul stereochimică a moleculei este tratată cu latura preferată, adică astfel încât substituentul cu cea mai mică vechime (de obicei hidrogen), a fost dirijat mai departe de observator.
De exemplu, 2-butanol, ordinea de prioritate: - OH> - C2 H5> - CH3> -H
Dacă secvența de prioritate rămasă trei substituenți descrește în sensul acelor de ceasornic, configurația este notată cu R (din rectus Latină -. Dreapta). În cazul în care vechimea deputaților scade în sens antiorar, centrul chiralitate primește simbolul S (din latinescul sinistru. - stânga).
Regulile de prioritate. Substituenții sunt aranjate în ordinea numerelor de secvență ale atomilor legate direct cu centrul de chiralitate (primul strat) în scădere:
I> Br> CI> S> P> F> O> N> C> H
Dacă primii câțiva atomi din substituenții sunt identici, apoi să acorde o atenție la atomii numărul de ordine asociat (al doilea strat), etc.
Dacă în acest caz, unul dintre atomii legați la o altă dublă sau triplă legătură, atunci fiecare dintre atomii trebuie dublate, triplat, respectiv:
Izotopii precedență având un număr de secvență identică descrește cu scăderea numărului de masă: T> D> H
Dacă molecula conține mai multe centre de chiralitate, atunci configurația lor este determinată pentru fiecare dintre centrele.
11. RELATIONSHIP stereochimie C activitate biologică.
Majoritatea metaboliților sunt molecule chirale. În reacția anumitor molecule chirale cu alte molecule chirale apar și diferențe în proprietățile chimice. Astfel de molecule interacționează în mod obișnuit simultan mai multe centre de reacție și natura interacțiunii va depinde de orientarea lor reciprocă. Procesele metabolice implicate in celula L-lactic, acid L-malic, L-amino acizi, D-zaharuri. molecule chirale sunt proteine, construite din L-aminoacizi, fosfolipide, vitamine, hormoni, acizi nucleici. Stereoizomeri stă la baza specificitatea interacțiunii substrat-enzimă, hormon-receptor, anticorp-antigen și altele. Acțiunea farmacologică a unor medicamente datorită interacțiunii lor cu receptorii celulari. De exemplu, doi enantiomeri adrenalina mai mare prezintă o activitate farmacologică R (-) epinefrină. In S (+) adrenalină grupă OH la centrul chiral este orientat în mod diferit și nu interacționează cu receptorul (tsiframi1,2,3 sunt desemnate centre de interacțiune cu receptorul).
Motivul pentru această specificitate este interacțiuni complementare - structuri complementare care se potrivesc reciproce (macromolecule, coenzime, substraturi radicali), definiți prin structura lor spațială și proprietățile chimice (capacitatea de a forma hidrogen și alte comunicări). S-epinefrină activitate redusă comparabilă cu activitatea prezentată de dezoksiadrenalinom neconținând OH - grup.
Un model similar este tipic pentru un număr de alte medicamente. Astfel, izopropiladrenalin dextrogir (izadrin) prezintă activitate bronhodilatatoare de 800 de ori mai mare decât enantiomerul levogir. Medicamentul efect antitumoral sarcolysine este enantiomerul levogir; sarkolizin dextrorotatory nu este activ.
Astfel, efectele biologice ale Bioregulatori (hormoni, vitamine, antibiotice, etc.) și principiul de medicamente este asociată cu structura lor spațială.