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 Е.А. Дойзи (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)