Определение дегидратационного синтеза
Обезвоживающий синтез относится к образованию более крупных молекул из более мелких реагентов, что сопровождается потерей воды. молекула, Многие реакции, связанные с дегидратационным синтезом, связаны с образованием биологических полимеров, где добавление каждого мономер сопровождается устранением одной молекулы воды.
Реакции дегидратации являются подмножеством конденсация реакции, где две функциональные группы объединяются, чтобы сформировать Ковалентная связь наряду с выделением небольшой молекулы, такой как вода, HCl, метанол или уксусная кислота, Хотя все эти небольшие молекулы часто встречаются в крупномасштабном промышленном синтезе органических молекул, в биологических системах вода является наиболее частым побочным продуктом реакция конденсации.
Одной из распространенных реакций дегидратации с участием простой молекулы является образование симметричных простых эфиров в результате конденсации спирта. Это реакция, катализируемая присутствием кислоты, и поэтому она протекает при pH <7. Ниже приводится образование этоксиэтана из этанола в результате дегидратационного синтеза.
2 C2H5OH ↔ C4H10O + H2O
Двусторонняя стрелка указывает на то, что это обратимая реакция, и она может протекать в обоих направлениях. Реакционная смесь достигает равновесия между реагентами и продуктами.
Другой важной и повсеместной реакцией является добавление высокоэнергетических фосфатных связей к нуклеозидам, таким как аденозин или гуанозин, с образованием аденозинтрифосфата (АТФ) и гуанозинтрифосфата (ГТФ).
Изображение показывает образование высокоэнергетической фосфатной связи в АТФ в результате реакции конденсации между аденозиндифосфатом и фосфатная группа а также обратная реакция, включающая гидролиз этой связи.
Типы дегидратационного синтеза
Синтез дегидратации можно классифицировать на основе ряда критериев. Они могут быть сгруппированы в зависимости от природы реагентов. Некоторые реагенты представляют собой молекулы, которые имеют две функциональные группы, которые могут реагировать друг с другом. Например, аминокислоты содержат аминную группу и карбоновую кислотную функциональную группу, присоединенную к одному и тому же атому углерода.
Аминогруппа одной аминокислоты может реагировать с кислотной группой другой с образованием амидной связи и высвобождать одну молекулу воды. Вновь образованный аминокислотный димер снова содержит одну свободную аминогруппу и одну свободную группу карбоновой кислоты, что позволяет реакции протекать с большим количеством аминокислот.
Следовательно, такие бифункциональные мономеры дают линейные продукты с мономерами, прикрепленными друг к другу сквозным. Альтернативно, реагенты могут иметь несколько функциональных групп, которые могут создавать разветвленные продукты, такие как образование гликоген из молекул глюкозы.
Во-вторых, реакции дегидратации можно классифицировать по природе катализатора. В примере по образованию симметричных простых эфиров катализатор представляет собой ион водорода. Но для многих реакций, особенно в жизни организм pH, концентрации соли и температура не могут быть изменены. В этих условиях присутствие какого-то другого катализатора важно для запуска обратимой реакции в одном направлении. Биологические катализаторы называют ферментами и часто получают свое название от характера реакции, которую они катализируют. Например, ферменты, которые катализируют образование ДНК из дезоксирибонуклеотидов посредством реакций конденсации, называются ДНК-полимеразами. Белки модифицируются углеводными группами через гликозилазы. Иногда ферменты, которые катализируют реакцию дегидратации, также называют в зависимости от природы самого фермента. Рибосомы катализируют образование амидной связи (также известной как пептидная связь ) между двумя аминокислотами. Поскольку каталитическая область в пределах рибосома состоит преимущественно из РНК, а не белка, он также известен как фермент РНК или рибозим.
Альтернативно, реакции дегидратации могут быть классифицированы на основе продукта, который они производят. В биологических системах большинство реакций дегидратации создают полимеры. Следовательно, эти реакции могут быть сгруппированы в зависимости от того, создают ли они сложные углеводы из более простых моносахаридов, образуя жирные кислоты из ацетил-КоА или синтезировать белки из аминокислот.
Наконец, реакции дегидратации также участвуют в модификации биологических молекул, таких как нуклеозиды, белки и углеводы. Эти модификации включают фосфорилирование и гликозилирование и важны для регулирования свойств и функций биополимеров. Это особенно важно во многих сигнальных каскадах, в которых участвуют протеинкиназы (ферменты, которые катализируют фосфорилирование белков).
Примеры дегидратационного синтеза
Реакции обезвоживания участвуют в промышленном производстве многих веществ, которые используются в повседневной жизни, таких как полиэфиры. Полиэфирные волокна используются для плетения тканей, пряжи и канатов в дополнение к ряду других применений, включая изготовление бутылок и изоляционных лент. Одним из распространенных сложных полиэфиров является полиэтилентерефталат (ПЭТ), который дает свое название классу бутылок, пригодных для переработки. ПЭТ образуется дегидратационным синтезом из двух мономеров – этиленгликоля и терафталевой кислоты.
В биологических системах реакции синтеза дегидратации происходят в каждом клетка Тем более что это важно для формирования АТФ. Почти все биополимеры также получены из этой реакции.
Формирование гликозидных связей
Гликозидные связи ковалентные связи образуется между углеводом и любой другой молекулой. Многие из них включают реакцию дегидратации. Когда мальтоза образуется из глюкозы, между двумя молекулами глюкозы возникает гликозидная связь с выделением одной молекулы воды. Длинные полимеры глюкозы могут быть образованы аналогичным образом посредством ряда реакций дегидратации, приводящих к образованию крахмала, целлюлозы или гликогена в зависимости от положения гликозидных связей. Другие дисахариды, такие как сахароза и лактоза также образуется в результате реакций дегидратации между двумя моносахаридами.
Кроме того, гликозидные связи также участвуют, когда углевод модифицирован.
Здесь молекула глюкозы реагирует с метанолом с образованием этилглюкозида.
Формирование триглицеридов
Одним из промежуточных продуктов углеводного и жирового обмена является ацетил-КоА, молекула, к которой присоединена двухуглеродная ацетильная группа. коэнзим О. Хотя это прежде всего предназначено, чтобы быть частью цикла Креба в митохондрии он также может быть использован для получения длинноцепочечных жирных кислот. Эти жирные кислоты затем образуют триглицериды, которые являются важной молекулой накопления энергии. Триглицериды получили свое название от того факта, что все три гидроксильные группы на глицерин пройти этерификацию с жирными кислотами. Каждая из трех жирных кислот подвергается реакции дегидратации со спиртовыми фрагментами на глицерине с образованием одной молекулы триглицерида.
Одной из основных причин, почему триглицериды считаются лучшей средой для хранения, чем углеводы, является их высокая плотность энергии. Они содержат большую долю атомов углерода, которые могут подвергаться окислению, и содержат меньше молекул кислорода, поскольку жирные кислоты образуются из углеводородов. Удаление трех молекул воды в процессе образования триглицерида дополнительно увеличивает плотность энергии молекулы.
На этом изображении R1, R2 и R3 относятся к углеводородам с длинной цепью, каждый из которых присоединен к функциональной группе карбоновой кислоты. Они образуют сложноэфирные связи с гидроксильными группами, присоединенными к α, β и α ′ глицерина, с образованием триглицерида.
Гидролиз
Гидролиз является обратной реакцией дегидратации, потому что он включает в себя разрыв ковалентной связи путем добавления молекулы воды. Гидролиз катализируется большой группой ферментов, называемых гидролазами. Среди наиболее известных гидролаз – пищеварительные ферменты. Пищеварение начинается со рта, где слюнная амилаза расщепляет молекулы крахмала. Вот почему длительное жевание крахмалистой пищи вызывает сладкий вкус во рту. При действии слюнной амилазы образуются моносахариды. Затем следует действие протеаз в желудок которые начинают процесс разрыва пептидных связей в белках. Пищеварение продолжается гидролитическими ферментами из поджелудочной железы и тонкая кишка действует на липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и белки. Каждая из этих гидролаз имеет конкретное название в зависимости от природы ее подложка, Например, липазы действуют на липиды, а нуклеазы на нуклеиновые кислоты. Протеаза, которая разъединяет пептидные связи с одного конца белка, называется экзопептидазой, а протеазы, которые действуют на внутренние связи, называются эндопептидазами. Подобные ферменты также присутствуют для внутриклеточного пищеварения в лизосомах.
Кроме того, существуют специфические ферменты, которые могут обратить посттрансляционные модификации белков, такие как фосфатазы. Эти ферменты удаляют фосфатную группу, присоединенную к белку посредством реакции гидролиза. Точно так же ферменты АТФазы катализируют гидролиз терминальной фосфодиэфирной связи в АТФ и важны для высвобождения энергии, запасенной в молекуле. Многие ферменты, участвующие в гидролизе, содержат остатки серина в их активный сайт и поэтому известны как серин гидролазы. К ним относятся большинство пищеварительных ферментов и те, которые участвуют в основных метаболических путях в клетке.
- Альдольная конденсация Реакция, в которой молекула, содержащая углерод-углеродную двойную связь и спиртовую группу, реагирует с карбонильным соединением посредством реакции дегидратации.
- дисахарид – Сахар, образованный из двух моносахаридов в результате реакции конденсации.
- нуклеофил Реагент, способный пожертвовать пару электронов на электрофил.
- Трансэтерификация Реакция, при которой органическая группа сложного эфира обменивается с группой другого спирта.
викторина
1. Что из этого включает образование сложноэфирной связи путем дегидратационного синтеза?A. Создание полиэтилентерефталата из этиленгликоля и терафталевой кислотыB. Создание гликозилированных углеводовC. Создание пептидной связи между двумя аминокислотамиD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 1
верно. Полиэтилентерефталат представляет собой синтетический полиэфир, который был впервые выделен из скипидара. Он используется для создания тканей, веревок и бутылок. Гликозилирование и образование пептидных связей являются примерами реакций конденсации, которые включают потерю одной молекулы воды. Однако они не приводят к образованию сложного эфира.
2. Какой из этих ферментов участвует в устранении последствий реакции дегидратации?A. Протеинкиназа, которая катализирует фосфорилирование белкаB. ДНК-полимераза, которая катализирует образование полинуклеотидаC. Протеазы, которые участвуют в переваривании белков в желудочно-кишечном трактеD. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 2
С верно. Фермент, обратный реакции дегидратации, называется гидролазой. Это расщепляет молекулу за счет добавления воды. Протеазы представляют собой гидролазы, которые действуют на пептидную связь и разрывают ковалентную связь между двумя аминокислотами. Следовательно, они являются единственными ферментами в списке, которые обращают вспять результаты реакции дегидратации. ДНК-полимеразы и протеинкиназы являются ферментами, которые участвуют в реакциях конденсации, которые синтезируют полимеры из мономеров с потерей одной молекулы воды.
3. Какое из этих свойств способствует превращению триглицеридов в хорошую молекулу накопления энергии?A. Высокая плотность энергииB. Большая доля атомов углерода в жирных кислотах по сравнению с углеводамиC. Этерификация с глицериномD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
D верно. Триглицериды имеют высокую плотность энергии, что означает, что они могут генерировать больше молекул АТФ на грамм по сравнению с углеводами. Это потому, что углеводы имеют более высокую долю молекул кислорода по сравнению с жирными кислотами. Жирные кислоты состоят в основном из длинных углеводородных цепей. Хотя содержание кислорода облегчает использование углеводов в качестве источника энергии, жирные кислоты содержат большую долю атомов углерода. Этерификация с глицерином с образованием триглицерида дополнительно удаляет три молекулы воды и увеличивает ее плотность энергии.