Гетероциклические соединения

Гетероциклическими соединениями называются соединения, в цикле которых кроме атомов углерода содержатся атомы других элементов (гетероатомы).

Гетероциклические соединения входят в состав важнейших природных веществ: красящих веществ крови и растений (гемина и хлорофилла), нуклеиновых кислот, многих витаминов, антибиотиков, алкалоидов и др. Практически вся фармацевтическая химия является химией гетероциклических соединений.

Классификация гетероциклических соединений:

1. В зависимости от природы гетероатома различают азот-, кислород- и серосодержащие гетероциклические соединения.

2. По числу атомов в гетероцикле их делят на трех-, четырех-, пяти-, шестичленные и т.д.

3. По степени насыщенности все гетероциклические соединения могут быть отнесены к насыщенным, ненасыщенным и ароматическим.

Наибольшее значение имеют ароматические пяти-, шестичленные и конденсированные гетероциклические соединения. Для них типична высокая устойчивость гетероциклического кольца.

Гетероциклические соединения чаще всего носят тривиальные названия.

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом:

В эту группу входят пиррол, фуран и тиофен.

 

Пиррол

 

 

Пиррольное ядро входит в состав многих биологически важных соединений.

Производные пиррола:

Индол – конденсированное гетероциклическое соединение, в состав которого входят бензольное и пиррольные ядра. Образуется при гниении белков.

Индол

Cкатол

 

 

Скатол – ядовитое вещество, образуется при гниении белков.

 

Триптофан

 

Триптофан – a-аминокислота, которая входит в состав полипептидов растительных и животных организмов.

 

Важнейшим направлением в метаболизме триптофана является гидроксилирование, в результате чего получается 5-гидрокситриптофан, который при декарбоксилировании преобразуется в серотонин (биогенный амин).

 

 

 

 

5-окситриптофан Серотонин

Серотонин – медиатор нервных процессов в ЦНС. Нарушение его нормального обмена в организме ведет к шизофрении.

В норме серотонин окисляется в 5-гидроксииндолилуксусную кислоту и выводится с мочой.

 

HO

Серотонин 5-Гидроксииндолилуксусная кислота

 

Другой путь метаболизма триптофана – превращение его в индолилуксусную кислоту (гетероауксин).

 

 

 

 

фермент

 

 

 

Триптофан Триптамин

 

 

 

Триптамин Индолилуксусная кислота

 

Четыре пиррольных кольца образуют циклическую сопряженную систему, называемую порфином, которая входит в состав хлорофилла, гемоглобина, цитохромов.

Гемоглобин эритроцитов состоит из гема и растворенного в воде белка глобина.

Состав гема:

1. 4 пиррольных цикла;

2. 4 метиновых мостика (- СН=);

3. 4 радикала метил (- СН₃);

4. 2 радикала винил (- СН=СН₂);

5. 2 остатка пропионовой кислоты (- СН₂-СН₂-СООН);

6. Ион Fe²⁺.

 

Гем

Ион Fe²⁺ находится в центре плоского порфиринового квадрата и связан с четырьмя атомами азота пиррольных колец. Пятым лигандом иона Fe²⁺ является остаток аминокислоты гистидина, шестое координационное место занимает кислород. Биологическая роль гемоглобина заключается в переносе кислорода в животном организме от легких к тканям. Помимо кислорода шестое координационное место могут занимать другие лиганды. В частности, действие оксида углерода (II) как дыхательного яда связано с тем, что он гораздо прочнее связывается с ионом Fe²⁺, чем кислород и, таким образом, блокирует действие гемоглобина.

 

Фуран

 

Кольцо фурана входит в состав лекарственных средств, например, фурацилина и фуразолидона. Они эффективны при гнойно-воспалительных процессах, вызываемых микроорганизмами (дизентерии, брюшном тифе и т.д.).

 

 

Тиофен

 

 

Производным тетрагидротиофена является биотин (витамин Н), отсутствие которого в пище нарушает обмен белков и липидов в организме и ведет к кожным заболеваниям. Производные тиофена входят в состав ихтиоловой мази, оказывающей противовоспалительное, антисептическое и местное обезболивающее действие.

 

Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами:

 

Имидазол

 

Имидазольное кольцо входит в состав пуриновых оснований, некоторых аминокислот и алкалоидов.

 

Гистидин

Гистидин входит в состав многих белков, в том числе глобина.

 

Гистидин в организме подвергается декарбоксилированию.

 

 

 

фермент

- CO₂

 

Гистидин Гистамин (биогенный амин)

Тиазол

 

Тиазольный цикл входит в состав витамина В₁ (тиамина) и кофермента кокарбоксилазы.

Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом:

Пиридин

 

Пиридиновое ядро встречается во многих алкалоидах, входит в состав некоторых витаминов группы В.

 

Никотиновая кислота

 

Никотиновая кислота и ее амид - никотинамид получили известность как две формы витамина РР, применяющегося в медицине для лечения пеллагры.

 

 

Амид никотиновой кислоты

 

Никотинамид является составной частью ферментных систем, ответственных за окислительно-восстановительные процессы в организме, а диэтиламид никотиновой кислоты - кордиамин служит эффективным стимулятором ЦНС.

 

Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами:

Пиримидин

 

Производные пиримидина объединяются в группу пиримидиновых оснований. К ним относятся урацил, тимин, цитозин.

Пиримидиновые основания являются структурными компонентами нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). Для пиримидиновых оснований характерна лактим-лактамная таутомерия.

Лактимы - гидроксильные соединения, в которых гидроксигруппа стоит при атоме углерода с двойной связью.

Такие соединения крайне неустойчивы, в них происходит внутримолекулярная перегруппировка атомов: разрывается двойная связь, атом водорода из гидроксильной группы переходит к смежному по двойной связи атому азота.

Цитозин (4-амино-2-гидроксипиримидин)

 

 

 

Лактимная форма Лактамная форма

 

Урацил (2,4-дигидроксипиримидин)

 

Лактимная форма Лактамная форма

Тимин (2,4-дигидрокси-5-метилпиримидин или 5-метилурацил)

 

Лактимная форма Лактамная форма

Тиамин (витамин В₁)

 

 

Витамин В₁ входит в структуру кофермента кокарбоксилазы.

 

 

Фрагмент Фрагмент

пиримидина тиазола

Оротат калия

 

ǀ Н

 

 

Оротат калия - стимулятор обменных процессов в организме.