16-17

Основы биохимии. Общая химия

Изомерия

Изомерами называются вещества одинакового состава (т.е. имеющие одинаковую суммарную формулу), но обладающие различными физическими и химическими свойствами. Если изомеры различаются порядком связи атомов, говорят о структурной изомерии, (например, цитрат и изоцитрат, Г). Причиной других форм изомерии является различное расположение заместителей при двойной связи (А, Б) или наличие в молекуле хирального центра (В).

А. цис-транс-Изомеры

Вращение вокруг двойной связи невозможно (см. с. 12); поэтому заместители при атомах, связанных двойной связью, могут принимать две возможные ориентации. Так, в фумаровой кислоте, промежуточном соединении цитратного цикла (см. с. 138), карбоксильные группы располагаются по разные стороны от плоскости двойных связей (транс-расположение). В изомере, малеиновой кислоте, не встречающейся в обмене веществ, карбоксильные группы расположены по одну сторону от плоскости (цис-положение). цис-транс-Изомеры различаются по физическим и химическим свойствам, например они имеют разные температуры плавления и константы диссоциации (рК_а). Переход от одного изомера к другому возможен лишь с помощью химических реакций.

цис-транс-Изомерия важна в метаболизме липидов. Так, заместители при двойных связях в природных жирных кислотах (см. с. 54) всегда находятся в цис-положении. Напротив, ненасыщенные интермедиаты при β-окислении занимают транс-положение. Это обстоятельство усложняет расщепление ненасыщенных жирных кислот (см. с. 168). В механизме зрительного восприятия ключевой реакцией является светозависимая цис-транс-изомеризация ретиналя (см. с. 346).

Б. Конформеры

Изомеры, образующиеся за счет свободного вращения вокруг простых связей, носят название конформеров. Небольшие молекулы могут принимать в растворе множество конформаций. В представленных конформерах янтарная кислота имеет такое же расположение атомов, как в фумаровой или малеиновой кислотах. Возможно существование обеих форм, причем конформация 1 из-за сильного отталкивания двух СООН-групп является предпочтительной и поэтому встречается чаще. Макромолекулы, такие, как белки и нуклеиновые кислоты, имеют вполне определенные конформаций, стабилизированные благодаря внутримолекулярным взаимодействиям (см. с. 80).

В. Оптические изомеры

Еще один вид изомерии возникает в том случае, когда в молекуле имеется хиральный центр или молекула в целом является хиральной. Хиральность (от греч. cheir - рука) служит причиной образования структур, которые нельзя совместить, поскольку они являются зеркальными изображениями друг друга (зеркальная изомерия). Наиболее частая причина хиральных свойств - присутствие асимметрического атома углерода, т.е. атома с четырьмя различными заместителями. В этом случае образуются две формы (энантиомеры) с различной конфигурацией. Чаще всего энантиомеры носят название L- и D-формы. Для указания абсолютной конфигурации асимметрического атома пользуются R/S-номенклатурой (см. учебник по химии).

Энантиомеры имеют очень близкие химические свойства. Основное различие между ними состоит в том, что они вращают плоскость поляризованного света в противоположных направлениях (оптическая активность, см. с. 42, 64). Это справедливо и в отношении молочной кислоты. Правовращающая L-молочная кислота встречается в мышцах и крови животных, а продуцируемая микроорганизмами D-форма может быть обнаружена, например, в молочных продуктах (см. с. 150). Соединения, имеющие хиральные центры, часто изображают с помощью фишеровских проекций (см. с. 64).

Г. Реакция, катализируемая аконитазой

Как правило, ферментативные реакции протекают стереоспецифически. В случае хиральных субстратов ферменты используют только один из энантиомеров, а конечный продукт реакции чаще всего также бывает стерически однороден. Аконитаза (аконитат-гидратаза) катализирует превращение цитрата в структурный изомер изоцитрат (см. с. 138). Хотя лимонная кислота не относится кхиральным соединениям, в данном случае в качестве конечного продукта реакции образуется только одна из четырех возможных изомерных форм, 2R,3S-изолимонная кислота. Кажущаяся асимметрия молекулы цитрата связана с тем, что промежуточный продукт реакции, ненасыщенная трикарбоновая аконитовая кислота, вступает в реакцию только в цис-форме. транс-Аконитовая кислота встречается в некоторых растениях.