Rūgštys

5. 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 tipą (sočiosios, nesočiosios, aromatinės ir t.t.).
Bendroji sočiųjų rūgščių formulė – CnH2n+1COOH.
Pagal sisteminę nomenklatūrą 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 išš dalies tirpaluose ir netgi garuose.
Karboksirūgščių molekulės yra difiliškos: turi fragmentą –COOH ir hidrofobinį angliavandenilio radikalą –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 gleivinę rūgštys.

5.2. Sočiųjų karboksirūgščių ir jų darinių cheminės savybės
Karboksirūgštys priklausomai nuo reagento savybių bei reakcijos sąlygų gali reaguoti su nukleofilais, elektrofilais arba su laisvaisiais radikalais.

• Rūgštinės savybės, neutralizacijos reakcijos ir druskų hidrolizė

CH3COOH HCOOH ClCH2COOH O2NCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3COOH H2CO3
pKa 4.76 3.75 2.85 1.7 1.25 0.66 6.3

Karboksirūgšties mišinys suu 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 agentai

Acilinimas – karboksirūgščių ir jų darinių nukleofilinė pakeitimo reakcija (SN), kurios me

etu 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 acilinimą katalizuoja fermentas, kuris ne tik aktyvina reagentus, bet ir hidrofobine sąveika 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 acetilgrupę.
 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 (SN): 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

Karboksirūgščių darinių sintezės ir jų tarpusavio virsmų schema

Karboksirūgščių anhidridai ir

r halogenanhidridai organizme neaptinkami. Jiems pagal cheminį aktyvmą artimi organizme aptinkami : 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 reakcija)

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

 -Padėties C atomo oksidavimas ir jo kondensacijos reakcijos

Karboksigrupės elektronų akceptorinis efektas padidina vandenilio atomų, sujungtų su -C atomu, judrumą, o pastarojo gebėjimą dalyvauti oksidaciniuose redukciniuose kitimuose.

-C – reduktorius. Reakcija vyksta pagal laisvaradikalinį mechanizmą.

Ši reakcija yra nukleofilinė pakaitų 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

7 lentelė. Reikšmingiausios gyvosios gamtos sočiosios dikarboksirūgštys
Formulė Trivialusis pavadinimas Druskų pavadinimas Acilgrupės pavadinimas pK1a pK2a
HOOC-COOH Oksalo Oksalatai Oksalil 1.27 4.27
HOOC-CH2-COOH Malono Malonatai Malonil 2.86 5.70
HOOC-(CH2)2-COOH Gintaro Sukcinatai Sukcinil 4.21 5.69
HOOC-(CH2)3-COOH Glutaro Glutaratai Glutaril 4.34 5.27

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 sąveikos dirūgštims būdingos sp

pecifinės cheminės savybės: oksidacinės-redukcinės dismutacijos (dekarboksilinimo) ir dehidratavimo reakcijos.

Di- ir ypač trikarboksirūgščių dekarboksilinimo reakcijos paplitę biocheminiuose procesuose.

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

Malono rūgščiai ir ypač jos esteriams būdingos -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 chelatinius kompleksus:

• Hidroksikarboksirūgštys

8 lentelė. Reikšmingiausios biogeninės hidroksikarboksirūgštys

Pagal hidroksigrupių išsidėstymą anglies atomų grandinėje karboksigrupės atžvilgiu gali būti -, -, -, - 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 -oksidavimas ir citrinų rūgšties dehidratavimas Krebso cikle). Jas skatina fermentai dehidratazės.

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

Organizme hidroksikarboksirūgštys dehidrinamos fermentų dehidrogenazių ir kofermento NAD+:

Tai svarbi riebalų rūgščių -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 yr

ra stipresnės už hidroksikarboksirūgštis. Organizmo bioterpėje (pH  7) jos paprastai būna anijonų formoje.
Dėl karbonil- ir karboksigrupių sąveikos oksokarboksirūgštims būdingos specifinės savybės, daugiausia tai oksidacinės-redukcinės dismutacijos reakcijos.

 C-C ryšio skilimo raekcijos

Piruvo rūgšties dekarboksilinimo reakcija vyksta ir organizme:

Palyginus su -oksorūgštimis -oksorūgštys dekarboksilinasi lengviau.

Organizme skyla C-C ryšys:

Šia reakcija baigiasi kiekvienas riebalų rūgščių -oksidavimo ciklas.

 C-C ryšio susidarymo reakcijos
Oksokarboksirūgštys dalyvauja aldolinės kondensacijos reakcijose (AN), 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.

 Keto-enolinė tautomerija

Tautomerų pusiausvyrą 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. Vandeninės 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 eikozano (arachido) rūgštis (C19H31COOH).

Gamtinėms nesočiosioms karboksirūgštims būdinga cis-konfigūracija ir U-forma, dėl kurios negalima molekulių tankioji sanglauda. Todėl normaliomis sąlygomis ilgesnės anglies atomų grandinės gamtinės nesočiosios karboksirūgštys yra skystos medžiagos. Jos yra pagrindiniai augalinių aliejų komponentai. Linolo, linoleno ir eikozano rūgščių žmogaus organizmas nesintetina. Jos (“nepakeičiamosios”) turi būti gaunamos su maistu (~ 5 g per dieną) ir mažina cholesterolio kiekį kraujuje. Eikozano rūgštis reikalinga svarbiems bioreguliatoriams – prostaglandinams susidaryti.
Biosistemose nesočiosios karboksirūgštys aptinkamos glicerolio esterių pavidale (skystieji aliejai). ,-Nesočiosios rūgštys gyvame organizme susidaro riebalų rūgščių -oksidavimo metu.
,-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 oksidavimą (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 ląstelėse. Jos yra pagrindiniai maisto medžiagų – riebalų, baltymų ir angliavandenių – kitimo produktai. Be to, daugelis esančių ląstelėje arba patenkančių į ją organinių medžiagų paskutiniuose katabolizmo (disimiliacijos) etapuose virsta vienokia ar kitokia karboksirūgštimi.
Tuo pačiu metu karboksirūgštys sintetinamos ląstelėse, t.y., jos yra anabolizmo (asimilicijos)** produktai, kadangi jos būtinos ląstelės ir apskritai viso organizmo gyvybingumui.

 Riebalų rūgščių biosintezė
Organizme – tai daugiastadijinis ciklinis procesas. Nors jis prasideda HSCoA acetilinimu ir CH3COSCoA susidarymu, tačiau pirmąja 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 ciklą. 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 -,- ir -padėčių C atomai, tačiau dažniausiai vyksta -oksidavimas.

 Riebalų rūgščių -oksidavimas

Riebalų rūgščių -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 – C skilimas)

Vieno ciklo rezultatas – anglies atomų grandinė sutrumpėja 2 C atomais.
Oksiduojant vieną molekulę stearino rūgšties išsiskiria 40 molekulių ATP, o įvykus visiškai jos oksidacijai iki CO2 ir H2O (įskaitant Krebso ciklą) viso susidaro 146 molekulės ATP. Taigi, riebalų rūgščių oksidavimas yra labai svarbus organizmo energetikos procesas.
 Riebalų rūgščių -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 -oksidavimas
Gyvūnų kepenyse ir kai kuriuose mikroorganizmuose yra fermentų sistema, kuri nukreipia riebalų rūgščių oksidavimą į galinę (-) CH3-grupę.

Toliau -dikarboksirūgštis dalyvauja bet kuriuo galu -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 ciklą 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

Susidaręs 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 -oksidavimą) 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 aktyvumą. Tai rodo Krebso ciklo reakcijų svarbą organizmui ir puikią jų apsaugą 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 susidariusią benzenkarboksirūgštį.
Aromatinių rūgščių cheminės savybės panašios į alifatinių. Jos sudaro druskas, esterius bei amidus. Reakcijos žiede vyksta pagal SE reakcijų mechanizmą 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 jautrumą.

Išmokę šį skyrių turite žinoti:
• karboksirūgščių ir jų darinių struktūrą, klasifikavimą, nomenklatūrą;
• karboksirūgščių ir jų darinių rūgštines-bazines, elektrofilines-nukleofilines, oksidacines-redukcines bei kompleksodarines savybes;
• pagrindines karboksirūgščių metabolizmo organizme reakcijas.

Leave a Comment