Алкалоиды: группа тропана (атропин, кокаин) – строение, основные свойства, характеристика реакционной способности

Алкалоиды группы тропана содержат в своей основе бициклическую структуру тропана и являются производными спирта тропина или гидроксикислоты экгонина.

Гиосциамин содержится в растениях семейства пасленовых—красавке, белене, дурмане, скополии. Гиосциамин представляет собой сложный эфир тропина и троповой кислоты. В растениях содержится оптически активная форма алкалоида. В процессе выделения происходит рацемизация остатка троповой кислоты, рацемическая форма гиосциамина называется атропином. Атропин получают как из растительного сырья, так и синтетически. Атропин обладает холиноблокирующим действием (спазмолитическим и мидриатическим). В медицине используется атропина сульфат.

Кокаин — алкалоид из южноамериканского кустарника Erythroxylon coca Lam. — представляет собой бесцветное кристаллическое вещество горького вкуса, хорошо растворимое в воде и этаноле. Кокаин обладает сильным местно-анестезирующим действием, благодаря чему его гидрохлорид долгое время использовался в хирургической и зубоврачебной практике. Из-за высокой токсичности, и особенно из-за того, что его применение приводит к наркотической зависимости, в настоящее время медицинское использование ограничено. Последнее обстоятельство стимулировало поиск синтетических заменителей кокаина.

Липиды: классификация; воски – принцип строения, номенклатура, примеры; высшие одноатомные спирты; высшие жирные кислоты – особенности строения (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая).

Липиды — органические соединения растительного или животного происхождения, различные по химическому составу, строению, выполняемым функциям и объединяемые на основе общих физико-химических свойств.

Липиды принадлежат к числу важных в биологическом отношении веществ, входящих в состав всех живых клеток. В настоящее время липиды рассматриваются уже не только как форма запаса метаболического топлива и как материал для построения мембран. Установлено, что липиды являются важнейшими биологическими эффекторами, регуляторами и медиаторами, участвующими во многих происходящих в организме физиологических процессах. Широкий спектр биологической активности липидов служит фундаментом для создания лекарственный препаратов. Для фармации характерно практическое использование некоторый специфических физико-химических свойств липидов. К их числу относится эмульгирующая функция, связанная с поверхностной активностью липидных молекул и используемая в производстве ряда лекарственных форм. Большой интерес представляет транспортная функция липидов, основанная на их способности образовывать липосомы. Создание липосомальных форм лекарственных веществ является перспективным способом повышения безопасности и эффективности их действия.

В зависимости от компонентного состава липиды подразделяют на две большие группы:

• простые, продуктами гидролиза которых являются высшие карбоновые кислоты и спирты;

• сложные, продуктами гидролиза которых, кроме ВЖК и спиртов, являются и другие вещества.

(!) При всем разнообразии строения для большинства липидов характерно наличие в их составе двух обязательных компонентов — высших жирных кислот и спиртов.

Отдельные группы липидов могут также содержать аминоспирты и аминокислоты (фосфолипиды), длинноцепочечные альдегиды (плазмалогены), моносахариды (гликолипиды). По отношению к липидам часто можно встретить название «омыляемые» липиды. Такой термин связан с их способностью образовывать в щелочной среде мыла, т. е. соли высших карбоновых кислот. Другое название — «неомыляемые» липиды — закрепилось за группой негидролизующихся природных веществ (стероиды и др.), по сходному характеру растворимости также относимых к липидам.

Высшие жирные кислоты.

Многие известные высшие карбоновые кислоты были впервые выделены из жиров и в целом получили название жирных, а с учетом присущей им относительно длинной углеводородной цепи их называют высшими жирными кислотами (ВЖК).

Как правило, природные высшие жирные кислоты характеризуются следующими признаками:

• являются монокарбоновыми;

• содержат четное число атомов углерода;

• имеют неразветвленный углеводородный радикал;

• имеют цис-конфигурацию двойных связей (если они содержатся).

Однако существует и много исключений; например, известны кислоты с нечетным числом атомов углерода, с разветвленной углеводородной цепью, с транс-расположением двойных связей.

Насыщенные жирные кислоты. Несмотря на большой диапазон возможной длины цепи, в составе липидов наиболее распространены кислоты с неразветвленной цепью, включающей 16, 18, 20 или 22 атома углерода.

Наиболее распространенными являются пальмитиновая и стеариновая кислоты, особенно характерные для твердых жиров и некоторых твердых растигельных масел (масло какао, пальмовое масло и др.). В жидких растительных маслах они содержатся в меньших количествах, при этом преобладающей является пальмитиновая кислота.

В углеводородном радикале насыщенных кислот все атомы углерода находятся в sp³-гибридизованном состоянии и имеют тетраэдрическую конфигурацию. За счет вращения вокруг σ-связей С—С углеродная цепь может принимать различные конформации. Энергетически наиболее выгодной является зигзагообразная конформация, так как в этом случае атомы углерода цепи находятся в антиперипланарной конформации.

Насыщенные жирные кислоты обладают слабыми кислотными свойствами и в малой степени диссоциированы в водных растворах.

Ненасыщенные жирные кислоты. Ненасыщенные высшие жирные кислоты распространены в природе более широко, чем насыщенные. Число атомов углерода в ненасыщенный жирных кислотах может быть различным, но преобладающими являются кислоты с 18 и 20 атомами.

В организме мононенасыщенные кислоты могут образовываться из насыщенных жирных кислот путем реакции дегидрирования. Основными синтезируемыми в организме ненасыщенными кислотами являются олеиновая и пальмитолеиновая.

К полиеновым относят ненасыщенные высшие жирные кислоты, содержащие от двух до шести двойных связей. Каждая из них отделена от другой метиленовой группой.

В молекулах ненасыщенных кислот, наряду с sр³-гибридизованными, содержатся sр²-гибридизованные атомы углерода. Поэтому участки углеводородной цепи относительно двойной связи могут иметь цис - или транс-расположение:

В ненасыщенных высших жирных кислотах природного происхождения двойные связи преимущественно имеют цис-конфигурацию, хотя это обычно менее выгодно, чем транс-расположение. Однако в данном случае цис-форма приводит к возможности формирования нужной вторичной структуры в липидной части клеточных мембран.

Ненасыщенные жирные кислоты могут подвергаться различным видам изомеризации, в частности пространственной — с изменением конфигурации двойных связей и позиционной — со смещением положения двойных связей.

Замещенные жирные кислоты. Такие кислоты встречаются редко; тем не менее известны соединения, содержащие в качестве заместителей гидрокси- и эпоксигруппы. Высшие жирные кислоты, содержащие гидроксильную группу, входят в состав липидов головного мозга, липидов молока, некоторых растений и микроорганизмов.

Номенклатура. В систематических названиях высших жирных кислот по номенклатуре ИЮПАК отражаются длина цепи, положение и конфигурация кратных связей, наличие и положение заместителей в соответствии с общими правилами этой номенклатуры.

При составлении названий липидов правилами ИЮПАК для некоторых кислот (лауриновая, миристиновая, пальмитиновая, стеариновая) разрешено использование их тривиальных названий. В области ненасыщенных высших жирных кислот существуют разные способы обозначения положения и конфигурации двойных связей.

Способ 1. В сокращенном виде указывается число атомов углерода в углеводородной цепи и через двоеточие число двойных связей; положение двойных связей обозначается цифрами с указанием цис- или транс-конфигурации латинскими буквами с или t соответственно. Буквы с и t в сокращенных названиях очень часто опускаются. Так, линоленовая кислота имеет сокращенное название 18:3 9,12,15.

Способ 2. В сокращенном виде указывается число атомов углерода в углеводородной цепи и через двоеточие число двойных связей; положение двойных связей обозначается у буквы Δ в виде верхнего правого индекса. По этому способу линоленовая кислота обозначается как 18:3 Δ^9,12,15.

Способ 3. В настоящее время активно используется собственная номенклатура ненасыщенных высших жирных кислот. По предлагаемому способу концевой атом углерода, независимо от длины цепи, обозначается последней буквой греческого алфавита ω (омега), иногда — латинской буквой n. Отсчет положения двойных связей производится не как обычно от карбоксильной группы, а от ω-метильной группы и обозначается, например, ω-3 (n-3), ω-6 (n-6), ω-9 (n-9).

Ненасыщенные жирные кислоты по «начальному» положению двойной связи подразделяют на следующие типы:

• ω-9 (омега 9) — тип олеиновой кислоты;

• ω-6 (омега 6) — тип линолевой кислоты;

• ω-3 (омега 3) — тип линоленовой кислоты.

Некоторые биологически важные полиеновые кислоты. Полиненасыщенные высшие жирные кислоты (ПНВЖК) играют исключительно важную роль в жизнедеятельности организма.

К полиненасыщенным высшим жирным кислотам относятся:

• линолевая (18:2 9,12 или ω-6);

• α-линоленовая (18:3 9,12,15 или ω-3);

• γ-линоленовая (18:3 6,9,12 или ω-6);

• арахидоновая (20:4 5,8,11,14 или ω-6).

Считалось, что большинство функций незаменимых жирных кислот — линолевой, линоленовой и их более длинноцепочечных гомологов — связано с их окисленными метаболитами, получившими обобщенное название «оксилипины», а сами кислоты лишь обеспечивают целостность мембраны и оптимальный уровень ненасыщенности тканевых липидов. Позднее было показано, что высшие жирные кислоты непосредственно участвуют во многих клеточных процессах. Перечисленные выше и родственные им полиненасыщенные кислоты условно называют «витамином F».

Спирты.

В составе липидов наиболее распространены следующие типы спиртов:

• высшие одноатомные спирты;

• полиолы (глицерин);

• аминоспирты (двухатомный спирт сфингозин).

Высшие одноатомные спирты. В состав природных липидов входят остатки длинноцепочечных спиртов в основном с четным числом атомов углерода и неразветвленной углеродной цепью. Высшие спирты могут быть насыщенными и ненасыщенными. Часто встречающимися являются цетило- вый, стеариловый, мелиссиловый, мирициловый спирты.

Высшие спирты являются характерными компонентами восков. Сами спирты, а также их смеси с другими веществами применяются в качестве структурообразующих веществ и неионогенных эмульгаторов при изготовлении кремов и мазей, а также служат исходными соединениями для получения ионогенных эмульгаторов — алкилсульфатов. Наиболее широкое применение имеет так называемый цетостеариловый спирт, представляющий собой смесь цетилового и стеарилового спиртов.

Простые липиды.

Общим классификационным признаком простых липидов является двухкомпонентность их состава: в результате гидролиза получаются высшие жирные кислоты (или их соли) и спирты.

Принадлежность к той или иной группе определяется главным образом характером спиртового компонента:

• высшие одноатомные спирты — воски;

• глицерин — жиры, масла;

• сфингозин — церамиды.

Воски. Воски — это сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатомных спиртов. В состав восков входят, как правило, насыщенные высшие жирные кислоты (чаще других — пальмитиновая) и насыщенные спирты — цетиловый, цериловый, мелиссиловый, мирициловый. Природные воски обычно содержат некоторое количество свободных жирных кислот и спиртов, а также углеводороды.

В большинстве воски представляют собой твердые, упругопластичные, иногда хрупкие при комнатной температуре вещества, только очень немногие при комнатной температуре имеют жидкую консистенцию (спермацетовое масло).

По происхождению воски разделяются на животные и растительные. Наиболее известны такие воски животного происхождения, как пчелиный воск, спермацет и ланолин.

Пчелиный воск более чем на 70% состоит из сложных эфиров высших жирных кислот, значительная доля который (более 30%) представлена мирицилпальмитатом. Пчелиный воск отличается также наличием свободных спиртов и кислот, чем объясняется его способность эмульгировать некоторое количество воды.

Спермацет выщеляется из жира, содержащегося в полостях черепной коробки кашалота и других китообразных. Он практически полностью состоит из сложных эфиров высших жирных кислот и высших одноатомных спиртов. Преобладающим компонентом является цетилпальмитат. Благодаря плотной консистенции спермацет часто используется как уплотнитель для слишком мягких мазей.

Ланолин (шерстный или шерстяной воск) вырабатывается кожными железами овец. Его получают при промывке шерсти овец. Ланолин отличается от других восков высоким содержанием стеринов (холестерин и др.), как свободных, так и связанных в виде эфиров с высшими жирными кислотами — пальмитиновой, миристиновой, стеариновой.

Воски образуют защитную смазку на коже человека и животных, входят в состав защитного покрытия от высыхания листьев растений, кожуры фруктов, покровных тканей у насекомых. Воски находят применение в фармацевтической и парфюмерно-косметической промышленности при изготовлении кремов и мазей.

Липиды: триацилглицерины – принцип строения, номенклатура, реакционная способность (гидролиз, гидрогенизация, окисление), аналитические характеристики (иодное число, число омыления).

Более половины природных липидов принадлежит к глицеролипидам, т. е. к производным трехатомного спирта — глицерина. В составе нейтральных и фосфорсодержащих липидов встречаются также и другие полиолы — этиленгликоль, пропандиолы, изомерные бутандиолы.

Триацилглицерины.

Триацилглицерины (жиры и масла) — это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Глицерин как трехатомный спирт может образовывать сложные эфиры с участием либо всех, либо нескольких гидроксильных групп. В природе в основном встречаются только полные эфиры глицерина, т. е. триацилглицерины.

Природные триацилглицерины условно делятся на жиры и масла в зависимости от консистенции. Консистенция триацилглицеринов зависит от их состава (при 20 ^оС).

(!) Триацилглицерины с преобладанием в составе остатков насыщенных высших жирных кислот имеют твердую консистенцию и называются жирами. Триацилглицерины с преобладанием в составе остатков ненасыщенных высших жирных кислот имеют жидкую консистенцию и называются маслами.

Триацилглицерины животного происхождения имеют твердую консистенцию, за редким исключением — жидкую (рыбий жир). Растительные триацилглицерины обычно жидкие, хотя некоторые масла имеют твердую (масло какао, пальмовое масло и др.) или густую (чаульмугровое масло) консистенцию.

В жирнокислотном составе природных жиров и масел, как правило, преобладают две или три кислоты, а другие содержатся в меньшем количестве. Высшие жирные кислоты распределяются таким образом, что образуется по возможности большее число смешанных триацилглицеринов. Наиболее часто встречающимися в составе природных триацилглицеринов являются стеариновая, пальмитиновая, олеиновая и линолевая кислоты. Некоторые масла и жиры содержат специфические жирные кислоты, характерные только для конкретных видов растений или животных.

Номенклатура. По заместительной номенклатуре ИЮПАК триацилглицерины называют как производные глицерина, в которых атомы водорода ОН-групп замещены ацильными остатками (RСО) высших жирных кислот. Названия этих остатков производят обычным способом с использованием суффикса - оил и перечисляют в алфавитном порядке с указанием их положения.

Положение в молекуле триацилглицерина высших жирных кислот с одинаковыми остатками у крайних атомов углерода равнозначно. Однако если гидроксильные группы в положениях 1 и 3 ацилированы разными жирными кислотами, то появляется хиральный атом С-2, а положения 1 и 3 становятся неравнозначными. В таком случае при необходимости применяют sn-систему (stereochemical numbering) обозначения липидов. По этой системе, если в проекции Фишера гидроксильная группа при С-2 глицерина находится слева, то атому углерода, находящемуся выше, присваивается номер 1, а ниже — номер 3.

Свойства липидов.

Триацилглицерины, содержащие остатки насыщенных кислот, являются достаточно инертными веществами, способными лишь к небольшому числу превращений, характерных вообще для сложных эфиров — гидролизу, переэтерификации. Триацилглицерины, содержащие ненасыщенные кислоты, способны, кроме того, вступать еще и в реакции, характерные для двойных связей — присоединения и окисления.

Гидролиз.

Реакции гидролиза триацилглицеринов, содержащих сложноэфирные связи, катализируются как кислотами, так и основаниями. Щелочной гидролиз, приводящий к образованию солей высших жирных кислот (мыл), называют омыление.

Гидролиз триацилглицеринов в кислой среде используется в целях установления жирнокислотного состава триацилглицеринов с помощью газо-жидкостной хроматографии после перевода получаемых высших жирных кислот в их более летучие метиловые эфиры.

В фармацевтическом анализе для оценки качества жиров и масел используется число омыления.

Число омыления — масса гидроксида калия (в мг), необходимая для нейтрализации свободных и связанных в виде триацилглицеринов жирных кислот, содержащихся в 1 г анализируемого образца.

Определение проводится путем кипячения анализируемого образца с гидроксидом калия в спиртовом растворе с последующим титрованием. Высокое число омыления свидетельствует о присутствии кислот с меньшим числом атомов углерода. Небольшие числа омыления указывают на присутствие кислот с большим числом атомов углерода или же на наличие неомыляемых веществ.

Гидрирование.

Гидрирование (гидрогенизация) ненасыщенных ацилглицеринов используется как способ получения из жидких масел твердых жиров с заданной температурой плавления (саломасы). Продукты гидрирования более устойчивы к окислению кислородом воздуха, менее склонны приобретать нежелательный привкус. Гидрированные масла используются в фармацевтической промышленности в качестве основ для изготовления мазей и суппозиториев, в пищевой промышленности в виде маргаринов.

В промышленности гидрирование осуществляется водородом в присутствии никелевых или медно-никелевых катализаторов при температуре 180— 240 °С и давлении 2—15 атм.

Одним из нежелательных результатов процесса гидрирования масел является возможность образования транс-изомеров ненасыщенных жирных кислот. Гидрирование ацилглицеринов, в особенности при высокой температуре, может сопровождаться повышением кислотного числа, что свидетельствует о повышении содержания свободных жирных кислот. Их образование вызывается разными технологическими причинами: гидролизом под влиянием водяного пара, содержащегося в исходном водороде; термическим распадом ацилглицеринов и др.

Галогенирование. Бромирование является качественной реакцией, позволяющей определять наличие кратных связей (качественная реакция). На практике при установлении степени ненасыщенности жиров и масел используется реакция присоединения иода (определение иодного числа).

Иодное число – масса йода (в граммах), которая может присоединиться к 100 граммам анализируемого образца. Чем больше значение иодного числа, тем выше степень ненасыщенности жирных кислот, входящих в состав триацилглицеринов.

Окисление.

β-Окисление. Это один из основных путей метаболизма высших жирных кислот в организме. Высшие жирные кислоты содержат большое число связей С—Н, при окислении которых выделяется энергия. Данный путь окисления называют β-окислением, так как окисление жирной кислоты происходит у β-атома углерода.

Начальная стадия процесса состоит в активировании кислоты путем взаимодействия ее с коферментом А и превращении в более реакционноспособный сложный тиоэфир. В результате последующего отщепления ацетильной группы в виде ацетилкофермента А углеводородная цепь укорачивается на два атома углерода. Жирная кислота, укороченная на два атома углерода, опять подвергается последовательным реакциям дегидрирования, гидратации, окисления и отщепления ацетил-СоА. Таким образом, конечными продуктами β-окисления высшей жирной кислоты в результате ряда последовательных циклов являются молекулы ацетил-соА.

Пероксидное окисление липидов. При воздействии высокоактивных свободных радикалов липиды могут подвергаться пероксидному окислению (ПОЛ). В небольшом количестве свободные радикалы присутствуют всегда в нормальных условиях физиологической среды, и свободнорадикальные процессы в норме проходят в клетке постоянно. Однако под воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды (ионизирующее или УФ-излучение, загрязнение атмосферы, табачный дым и др.) эти процессы могут усиливаться.

При окислении полиненасыщенных высших жирных кислот, входящих в состав липидов мембран, изменяются биофизические свойства мембран (эластичность, вязкость, проницаемость, гидрофобность и др.), что приводит к их повреждению.

Прогоркание. Жиры и масла, а также лекарственные формы на их основе (мази, кремы) при длительном хранении на свету и в присутствии воздуха могут прогоркать. Основными химическими процессами являются реакции гидролиза и окисления. Тип реакций, происходящих при прогоркании жиров и масел, зависит от входящих в их состав высших жирных кислот и от условий хранения. При хранении жиров и масел может происходить возрастание кислотного числа.

Кислотное число — масса гидроксида калия (в миллиграммах), необходимая для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г анализируемого образца.

Причин накопления в жирах и маслах свободных жирных кислот может быть несколько. Одной из них является гидролиз триацилглицеринов, протекающий при наличии в жире воды. Однако образующиеся в результате гидролиза высшие жирные кислоты не имеют вкуса и запаха, потому увеличение их содержания не изменяет органолептических свойств жира.

Другой причиной, приводящей к повышению кислотного числа, является образование низших кислот под воздействием кислорода воздуха и ферментов.

В прогорклом жире и масле, как правило, присутствуют вещества с разными кислородсодержащими функциональными группами (одно- и двухосновные кислоты, альдегиды, кетоны и др.). Для жиров, в которых преобладают насыщенные жирные кислоты, характерно образование кетонов (кетонное прогоркание), для жиров и масел с высоким содержанием ненасыщенных кислот — альдегидов (альдегидное прогоркание). Носителями прогорклого вкуса, как правило, являются альдегиды и кетоны. Триацилглицерины, содержащие насыщенные жирные кислоты, в меньшей степени подвержены прогорканию.