Низкомолекулярные биорегуляторы

Низкомолекулярные биорегуляторы

Низкомолекулярные биорегуляторы - весьма многочисленная группа физиологически активных соединений, как природных, так и синтетических, выполняющих разнообразные функции в организмах человека и животных, в растениях и микроорганизмах. К ним относятся алкалоиды, витамины, терпеноиды, антибиотики, стероиды, феромоны, простагландины, природные токсины, лекарственные препараты, пестициды и др. Объединение таких веществ в единую группу во многом условно и базируется в основном на сравнительно небольшой молекулярной массе этих соединений. Другими словами, подчеркивается их отличие от биополимеров - белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, хотя, конечно, четкую грань между этими группами провести практически невозможно ни с химической, ни с биологической точек зрения. Такое подразделение оправдано исторически и методически, так как алкалоиды, витамины, терпеноиды и стероиды были первыми объектами химии природных веществ, строение которых было расшифровано, а синтез этих соединений достиг немалых успехов уже к началу нашего столетия.

Стероиды

К стероидам относится большая группа биологически важных соединений, в основе структуры которых лежит скелет стерана (гонана) (циклопентанопергидрофенантрена):

Среди стероидов - половые гормоны, сердечные гликозиды, желчные кислоты, витамины, алкалоиды, регуляторы роста растений. Свое начало стероиды берут от стеринов - алициклических липидоподобных веществ природного происхождения. Наиболее известный среди стеринов - холестерин, содержащийся почти во всех тканях животного организма. Особенно много холестерина в центральной и периферической нервных системах, кожном сале, почках и т. п.; так называемые желчные камни иногда на 90% состоят из холестерина (от греч. colh - желчь и dtereox - твердый). Метаболизм холестерина играет важную роль в организме - при некоторых патологических отклонениях, например, при атеросклерозе, холестерин откладывается на стенках кровеносных сосудов.

Холестерин (холестерол)

Среди других стеринов следует упомянуть эргостерин - предшественник витамина D.

Эргостерин Кальциферол (витамин D2 )

Половые гормоны

Важнейшие среди стероидных гормонов - женские (эстрогены) и мужские (андрогены). Половые гормоны необходимы для нормального развития и функционирования половых органов, развития вторичных половых признаков и продолжения жизни.

Эстрогены объединяют группу производных эстрана, имеющих ароматическое кольцо А. Впервые эстрогены обнаружены Б. Зондеком (Германия) в 1927 году. Позднее в 1929 - 1932 годах А. Бутенандт (Германия) выделил в кристаллическом состоянии гормон, названный им эстроном (от англ. Oеstrus - течка). В этот же период (США) выделил два других эстрогена - эстрадиол и эстриол.

Эстрон Эстрадиол Эстриол

Эстрогены используются для лечения половой недостаточности, при климактерических расстройствах, гипертонии, онкологических и других заболеваниях.

Мужские половые гормоны - андрогены (от греч. audroz - мужской, geuhz - образовывать) наряду с влиянием на эндокринную систему человека, обладают сильным анаболическим эффектом. Их недостаток приводит к нарушениям азотистого и фосфорного обменов, атрофии скелетной мускулатуры и другим расстройствам.

В 1932 году А. Бутенандт (Германия) выделил из мочи человека первый андроген - андростерон. Позднее в 1935 году Э. Лакье (Германия) показал, что это соединение является метаболитом, а истинный мужской половой гормон - тестостерон, содержащийся в тестикулах.

Андростерон Тестостерон

Наличие ароматического цикла А в женских половых гормонах определяет основное различие в химических свойствах эстрогенов и андрогенов. Женские половые гормоны хорошо растворимы в щелочах за счёт гидроксильной группы, находящейся при бензольном кольце:

В реакцию со щелочными металлами вступают все гидрокси-группы, имеющиеся в молекуле.

Химические свойства стероидов обусловлены наличием в молекуле той или иной функциональной группы. Например, в молекуле холестерина имеются - ОН группа и двойная связь, следовательно будут иметь место реакции, характерные для вторичных спиртов и непредельных соединений:

Присутствиe оксо (>С=О) группы в некоторых половых гормонах предполагает наличие всех свойств, присущих кетонам:

Терпены

Класс терпеноидов или изопреноидов составляет большая группа биологически активных соединений, молекулы которых построены на основе остатков молекул изопрена (С5Н8):

изопрен

В зависимости от числа изопреновых звеньев, входящих в состав молекулы терпены и их производные делятся на следующие группы:

С10Н16 - монотерпены; С30Н48 - тритерпены;

С15Н24 - сесквитерпены; С40Н64 - тетратерпены;

С20Н32 - дитерпены; ³ С50Н80 - политерпены.

Мы ограничимся рассмотрением монотерпеноидов.

В большинстве терпенов изопреновые фрагменты соединены друг с другом по принципу ² голова к хвосту ² - изопреновое правило:

² хвост ² ² голова ²

В зависимости от строения углеродного скелета различают ациклические и циклические монотерпены.

Среди монотерпенов (С10Н16) наиболее распространены моно - и бициклические терпены. Многие из них известны с давних пор и использовались в Древнем Египте для бальзамировании. Летучие масла растений, получившие в тот период известное название Quinta essentia (аромат растений) обязаны своими парфюмерными свойствами присутствию в них соединений этого класса. Наиболее известными представителями монотерпенов являются:

3-карен a - пинен b-пинен камфора борнилен

лимонен a-терпинен карвон a-терпинеол ментол

Химические свойства этого класса соединений обусловлены как наличием в них определенных функциональных групп, так и склонностью некоторых терпенов к изомерным превращениям.

Наиболее известным изомерным превращением в ряду терпенов является перегруппировка Вагнера-Меервейна в реакции a - пинена с хлороводородом, которая заключается в переходе менее устойчивого четырехчленного цикла (пинановая система) в устойчивый пятичленный цикл (борнановая система).

При этом известная реакция Вагнера (Н2О, КMnO4) протекает по иному механизму без изомеризации скелета молекулы:

Если в молекуле терпена имеется гидрокси - группа (ментол), то будут иметь место все реакции, характерные для спиртов, если - оксо - группа (камфора) - все реакции, присущие кетонам. Лимонен, содержащий 2 двойные связи, будет вступать в реакцию в первую очередь по внешней двойной связи в соответствии с правилом Марковникова:

Одним из важнейших представителей класса ациклических терпенов является тритерпен сквален, образующийся в качестве промежуточного продукта в процессе биосинтеза холестерина:

сквален

Каротиноиды

Особую группу соединений, которые построены по тому же принципу что и терпеновые молекулы, составляют каротиноиды - растительные пигменты. Многие из этих соединений играют роль витаминов или их предшественников, а также участвуют в фотосинтезе.

b - каротин (черточками обозначены - СН3 группы)

Молекула b - каротина симметрична и состоит из двух одинаковых фрагментов. b - каротин является предшественником витаминов группы А:

ретинол ( витамин А1 ) ретиналь

ретинолацетат (витамин А)