Биохимия

Биоорганическая химия


Стероиды.


Стероиды — вещества животного или, реже, растительного происхождения, обладающие высокой биологической активностью.


Стероиды широко распространены в природе и выполняют в организме разнообразные функции. К настоящему времени известны около 20 тысяч стероидов. Более ста из них применяются в медицине.


В группу стероидов входят:


  • стерины (в частности, холестерин),
  • желчные кислоты,
  • стероидные гормоны,
  • кардиотонические гликозиды (карденолиды и буфадиенолиды).

Химическое строение


Стероиды имеют циклическое строение. В основе их структуры лежит скелет стерана, состоящий из трёх конденсированных циклогексановых колец (А, В и С) в нелинейном сочленении и циклопентанового кольца (D).


Общая структура стероидов и принятая нумерация атомов в стеране прведены ниже:


Стеран


Характерная особенность большинства природных стероидовналичие кислородосодержащего заместителя у С-3, метильных групп С-18 и С-19, а также алифатического заместителя R у С-17.


По величине углеродной цепи этого заместителя стероиды делятся на группы, которые приведены в таблице:


R
Число
атомов
углерода
в радикале
Название
углеводорода,
составляющего
основной
скелет
Группа
стероидов

Радикал

0

Андростан

Мужские половые гормоны.

Радикал

0

Эстран

Женские половые гормоны (эстрогены).

Радикал

2

Прегнан

Женские половые гормоны (гестагены) и гормоны коркового вещества надпочечников.

Радикал

5

Холан

Желчные кислоты.

Радикал

8

Холестан

Стерины.


Транс- и цис- стереоизомеры


Сочленение колец А и В и С и D может быть цис- или транс-.


ЦИС-ТРАНС-ИЗОМЕРИЯ (геометрическая изомерия) - один из видов пространственной изомерии химических соединений; заключается в возможности расположения заместителей по одну (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер) плоскости двойной связи (С = С, С = N) или неароматического цикла (напр., циклогексана).


Применительно к стероидам речь идёт об цис и транс-декалинах.


Декалин – бициклический насыщенн углеводород, получаемый при исчерпывающем гидрировании нафталина.


Декалин


В зависимости от конфигурации атомов С-9 и С-10 декалин существует в виде двух стереоизомеров:


  1. транс-декалина, у которого атомы водорода у С-9 и С-10 находятся по разные
        стороны
    от воображаемой плоскости колец и
  2. цис-декалина с расположением атомов водорода у этих атомов углерода по одну
        сторону
    плоскости.

Транс- и цис-изомеры Декалина


В природных стероидах кольца В и С всегда, а кольца С и D почти всегда транс-сочленены, в то время как кольца А и В могут иметь как транс-, так и цис-сочленения.


Все циклогексановые кольца находятся в конформации кресла.


Транс- и цис-стероиды


Положение атомов водорода и заместителей снизу или сверху от условной плоскости кольца обозначают буквами альфа и бета соответственно.


Стереохимия сочленения колец А и В указывается по ориентации атома водорода в 5-м положении: 5 альфа-стероид имеет транс-, а 5 бета-стероид – цис-сочленение колец А и В.


При обычном написании формул стероидов циклический скелет принято изображать плоским:


Транс- и цис-стероиды



Стерины


Стерины - группа биохимически важных веществ из группы стероидов. В основе структуры стеринов (как и других стероидов) лежит насыщенный тетрациклический углеводород стеран.


Особенностью стеринов является то, что радикал R у атома углерода С-17 включает 8 атомов углерода.


Холестерин


В качестве обязательного заместителя стерины содержат гидроксильную группу при С-3, т.е. являются вторичными спиртами (поэтому в их названии часто присутствует окончание –ол).


Холестерин


Холестерин (холестерол) – наиболее распространённый представитель стеринов.


Присутствует практически во всех животных липидах, крови и желчи.


Особенностью его структуры является наличие двойной связи в кольце В между С-5 и С-6.

Восстановление этой двойной связи приводит к двум стереоизомерам – холестанолу и копростанолу:


Холестанол и копростанол



Свойства и функии холестерина

Очищенный холестерин – белое кристалическое вещество, обладающее оптической активностью. Температура его плавления 150 градусов. Холестерин нерастворим в воде, растворим в жирах и органических растворителях.


В организме холестерин встречается как в свободном состоянии, так и в связанном, в виде сложных эфиров. В организме находится 80 % свободного и 20 % связанного холестерина.


Из общего количества холестерина, содержащегося в организме (250 г при массе тела 65 кг) только 20 % его поступает с пищей. Основное количество холестерина синтезируется из уксусной кислоты.


Холестерин обеспечивает стабильность клеточных мембран. Он необходим для выработки витамина D, выработки надпочечниками различных стероидных гормонов, включая кортизол, альдостерон, женских половых гормонов эстрогенов и прогестерона, мужского полового гормона тестостерона.


Нарушение обмена холестерина приводит к его отложению на стенках артерий и, как следствие – к уменьшению эластичности сосудов (атеросклерозу). Кроме того, холестерин накапливается в виде желчных камней.


Витамин D

При облучении ультрафиолетом некоторых стеринов, например эргостерина, происходит размыкание кольца В и образование продуктов, относящихся к витаимам группы D.


Образование кальциферола из эргостерина




Желчные кислоты


В печени стерины, в частности холестерин, превращаются в желчные кислоты.


Желчные кислоты (синоним: холевые кислоты, холиевые кислоты, холеновые кислоты) - органические кислоты, входящие в состав желчи и представляющие собой конечные продукты обмена холестерина.


Желчные кислоты играют важную роль в процессах переваривания и всасывания жиров; способствуют росту и функционированию нормальной кишечной микрофлоры.


Алифатическая боковая цепь у С-17 в желчных кислотах, производных углеводорода холана, состоит из 5 атомов углерода и включает концевую карбоксильную группу.


Холевая кислота


Желчные кислоты подразделяют на первичные и вторичные.


Первичными называют желчные кислоты непосредственно секретируемые печенью. К ним относятся:


1. холевая кислота и

2. хенодезоксихолевая кислота.


Вторичные кислоты образуются из первичных желчных кислот в толстой кишке под действием кишечной микрофлоры.


К вторичным желчным кислотам относятся:


1. дезоксихолевая кислота,

2. литохолевая и

3. урсодезоксихолевая кислоты.


Из вторичных в кишечно-печёночной циркуляции во влияющем на физиологию количестве участвует только дезоксихолевая кислота, всасываемая в кровь и секретируемая затем печенью в составе желчи.


Из желчных кислот наиболее распространённой является холевая кислота.


Желчные кислоты находятся в организме обычно в виде амидов. По карбоксильной группе (посредством пептидной связи кним присоединены остатки глицина H2NCH2COOH или таурина H2NCH2CH2SO3H).


Натриевые и каливые соли этих соединений обладают поверхностно-активными свойствами. Эмульгируя жиры пищи, они улучшают их усвоение, а также активируют фермент липазу, катализирующий гидролиз жиров.



Сердечные гликозиды


Гликозиды - это природные углеводосодержащие вещества органического характера, преимущественно растительного происхождения.


В состав молекулы гликозидов входит сахар (эту часть молекулы называют гликоном) и несахаристая часть - агликон, или генин. Греческая приставка "а" означает отрицание, агликон в переводе означает "несахар". Агликон и сахар соединены между собой связью, подобной сложноэфирной.


Сердечные гликозиды – это соединения, у которых роль агликона выполняет стероидная часть молекулы. В этом случае агликон называют генином.


К генинам сердечных гликозидов растительного происхождения относятся дигитоксигенин и строфантидин.


Дигитоксигенин и строфантидин


Особенности их структуры – наличие ненасыщенного гамма-лактионовое кольца у С-17 и цис-сочленение колец С и D. Остатки углеводов присоединяются за счёт гидроксильной группы у С-3 стероида.


Связь между молекулой углевода и генином является бета-гликозидной.


Примером сердечного гликозида может служить ланатозид А, выделяемый из наперстянки:



Ланатозид А


В небольших количествах сердечные гликозиды возбуждают сердечную деятельность, а именно оказывают кардиотоническое действие, проявляющееся в замедлении частоты и усилении сердечных сокращений. По этой причине они используются в кардиологии.


В больших же дозах сердечные гликозиды являются ядами. При отравлении ими возникают нарушения деятельности сердца, органов пищеварения, нервной системы и пр.


Выделяются сердечные гликозиды из различных видов наперстянки (дигиталиса), ландыша, горицвета и других растений.





Стероидные гормоны


Классификация гормонов


Гормонами называют биологически активные вещества, образующиеся в результате деятельности желез внутренней секреции и принимающие участие в регуляции обмена веществ и физиологических функций в организме.


Гормоныпромежуточное звено между нервной системой и ферментами. Синтезированные в железах внутренней секреции гормоны переносятся током крови к органам-мишеням и там либо повышают каталитическую активность соответствующих ферментов, либо ускоряют их биосинтез.


Классифицируют гормоны по месту их секретирования в кровь. В соответсвии с этой «анатомической» классификацией различают гормоны щитовидной железы, надпочечников, половых желез и т.д.


Согласно химической классификацией все известные гормоны можно разделить на три группы:


1. Аминокислоты и продукты их превращений.

В эту группу включают тироксин и родственные гормоны щитовидной железы, а также катехоламиновые гормоны – адреналин и норадреналин.


2. Пептиды и белковые гормоны.

Они составляют наиболее представительную группу гормонов, в которую входят некоторые олигопептиды (вазопрессин), простые белки, гормон роста соматотропин, инсулин) и сложные белки – гликопротеины, в частности пролактин, стимулирующий развитие молочных желёз.


3. Производные стероидов.

К ним относятся гормоны коркового вещества надпочечников, или кортикостероиды, мужские и женские половые гормоны.


Стероидные гормоны


Кортикостероиды.

Кортикостероиды образуются в корковом веществе надпочечников и регулируют углеводный и солевой обмен.


Их боковая цепь у С-17 включает два атома углерода в виде гидроксикетонной группировки.


Примерами служат кортикостерон и преднизолон, важной структурной характеристикой которых является система альфа, бета-ненасыщенного кетона
в кольце А.



Кортикостерон и преднизолон


Кортикостерон действует как антагонист инсулина, повышая содержание глюкозы в крови.


Преднизолон – синтетический кортикостероид, по действию превосходящий свои природные аналоги.


Кортикостероиды – гормоны, обладающие противовоспалительным действием. По этой причине они использутся при лечении кожных воспалительных болезней, ревмаизма и пр.


Половые гормоны.

Половые гормоны вырабатываются половыми органами и регулируют половые функции. К их числу относятся женские (гестагены и эстрогены) и мужские половые гормоны (андрогены).


Гестагены


Гестагены (лат. gesto — носить, быть беременной+греч. genes — порождающий, производящий), или гормоны беременности, образуются в жёлтом теле яичников. Они, как и кортикостероиды, являются производными прегнана.


Наибольшей активностью среди них обладает прогестерон, боковая цепь которого представляет собой ацетильную группу.


Прогестерон


Функции прогестерона


Прогестерон подготавливает эндометрий матки к имплантации оплодотворенной яйцеклетки, а после ее имплантации способствует сохранению беременности: подавляет активность гладкой мускулатуры матки, поддерживает в центральной нервной системе доминанту беременности; стимулирует развитие концевых секреторных отделов молочных желез и рост матки, синтез стероидных гормонов; оказывает иммунодепрессивное действие, подавляя реакцию отторжения плодного яйца. Стимулирует секрецию кожного сала.


Недостаток прогестерона в организме является одной из частых причин бесплодия нарушения менструального цикла и спонтанного прерывания беременности.


Эстрогены


Эстрогены контролируют менструальный цикл у женщин.


Наиболее важны эстрон и эстрадиол, производные углеводорода эстрана.


Отличительный признак их структуры – наличие ароматического кольца А, а также отсутствие боковой цепи у С-17 и метильной группы у С-10.


Эстрон и эстрадиол


Функции эстрогенов


Эстрогены оказывают сильное феминизирующее влияние на организм. Они стимулируют развитие матки, маточных труб, влагалища, стромы и протоков молочных желез, пигментацию в области сосков и половых органов, формирование вторичных половых признаков по женскому типу, рост и закрытие эпифизов длинных трубчатых костей.


Способствуют своевременному отторжению эндометрия и регулярным кровотечениям.


Стимулируют синтез ряда транспортных белков (тироксинсвязывающий глобулин, транскортин, трансферрин, протеин, связывающий половые гормоны), фибриногена.


Оказывают прокоагулянтное действие, индуцируют синтез в печени витамин К-зависимых факторов свертывания крови (II, VII, IX, X), снижают концентрацию антитромбина III.


Андрогены


Андрогены стимулируют развитие вторичных мужских половых признаков и выработку спермы.


Главные мужские половые гормоны – андростерон и более активный тестостерон.


В основе их структуры лежит скелет углеводорода андростана. Боковая цепь при С-17 у них отсутствует, но сохраняются обе «ангулярные» метильные группы.


Андростерон и тестостерон


Функции андрогенов


Андрогены оказывают сильное анаболическое и анти-катаболическое действие, повышают синтез белков и тормозят их распад.


Понижают уровень глюкозы в крови.


Увеличивают мышечную массу и силу.


Способствуют снижению общего количества подкожного жира и уменьшению жировой массы по отношению к мышечной массе, но могут увеличить отложения жира по мужскому типу (на животе) при одновременном уменьшении отложений жира в типично женских местах (ягодицы и бедра, грудь).


Понижают уровень холестерина и липидов в крови, тормозят развитие атеросклероза и сердечно-сосудистых заболеваний, но в меньшей степени, чем эстрогены (отчасти именно поэтому у мужчин продолжительность жизни меньше и сердечно-сосудистые заболевания чаще и развиваются в более молодом возрасте, чем у женщин).


Андрогены вызывают появление или развитие мужских вторичных половых признаков: понижение и огрубление голоса, рост волос на лице и теле по мужскому типу, превращение пушковых волос на лице и теле в терминальные, усиление секреции пота и изменение его запаха.


При определённой генетической предрасположенности (наличии в коже головы фермента 5-альфа-редуктазы) андрогены могут вызывать облысение головы по мужскому типу.


Оглавление


Органическая химия

Косметическая химия

Коллоидная химия


Биохимия