Химические и физические свойства витамина с

По физическим свойствам аскорбиновая кислота представляет собой белый кристаллический порошок кислого вкуса. Легко растворим в воде, растворим в спирте.

Из-за наличия двух асимметрических атомов существуют четыре диастереомера аскорбиновой кислоты. Две условно именуемые Lи Dформы хиральны относительно атома углерода в фурановом кольце, а изоформа является D-изомером по атому углерода в боковой этиловой цепи.

L-изоаскорбиновая, или эриторбовая, кислота используется в качестве пищевой добавки E315.

Рис. 1 Оптические изомеры аскорбиновой кислоты: 1a — L-аскорбиновая кислота; 2a — L-изоаскорбиновая кислота; 1b — D-изоаскорбиновая кислота; 2b — D-аскорбиновая кислота.

Аскорбиновая кислота по своему строению может быть отнесена к производным углеводов. Она представляет собой- 2,3- дидегидротрео-гексоно-1,4-лактон. Благодаря наличию двух асимметрических атомов углерода в положениях 4 и 5 аскорбиновая кислота образует четыре оптических изомера и два рацемата. Оптические изомеры: Dи Lаскорбиновые кислоты и их диастереоизомеры — Dи L-изоаскорбиновые кислоты. Природная биологически активная аскорбиновая кислота имеет L-конфигурацию. D-аскорбиновая и Lи D-изоаскорбиновые кислоты в природе не встречаются и получены только синтетическим путем. D-аскорбиновая кислота является почти единственным антагонистом витамина С. L-аскорбиновая кислота в кристаллическом виде представляет собой белые кристаллы с температурой плавления 192°. Спектр поглощения в ультрафиолетовом свете в кислой водной среде имеет максимум при 245 нм, в щелочной среде максимум сдвигается к 265 нм. Это свидетельствует о наличии сопряженной системы двойных связей. Присутствие такой системы двойных связей обнаружено при изучении дейтерированной аскорбиновой кислоты в инфракрасной части спектра.

Аскорбиновая кислота хорошо растворима в воде (13,59% при 0°, 22,42% при 20°, 57,51% при 100°), хуже — в этаноле (4,61% при 20°), мало растворима в глицерине и ацетоне, нерастворима в петролейном эфире, бензине, четыреххлористом углероде, хлороформе и др. В водных растворах аскорбиновая кислота дает кислую реакцию (для 0,1 н. раствора рН 2,2) и обычно реагирует как одноосновная кислота. Лактоны нейтральны, и потому кислые свойства аскорбиновой кислоты обусловлены главным образом гидроксилъной группой в положении 3. Частично за кислую реакцию ответственна гидроксильная группа в положении 2. Константа диссоциации составляет pK1— 4,17 и рК2= 11,57. Двойная связь способствует стабилизации лактонного кольца. Ненасыщенное у-лактоновое кольцо аскорбиновой кислоты подвергается гидролизу лишь при действии сильных щелочей; при этом она превращается в соответствующую кетокислоту. Со слабыми щелочами аскорбиновая кислота образует нейтральные монощелочные еноляты без размыкания лактонного кольца. Еноляты аскорбиновой кислоты наряду со свободной аскорбиновой кислотой применяются в медицинской практике.

Аскорбинат натрия (C₆H₇O₆Na) представляет собой бесцветные кристаллы, легко растворим в воде, трудно в спирте, нерастворим в эфире. Аналогичными свойствами обладает аскорбинат кальция. В медицинской практике применяется еще одно производное аскорбиновой кислоты — железоаскорбиновая кислота. Это порошок черно-фиолетового цвета, легко растворимый в воде, нерастворимый в спирте и эфире. Применяется при железодефицитных анемиях.

Наличие в аскорбиновой кислоте двух сопряженных двойных связей обусловливает ее способность к обратимому окислению, продуктом которого является дегидроаскорбиновая кислота (ДАК). Она представляет собой бесцветные кристаллы с температурой плавления 220—225°, хорошо растворимые в воде. ДАК очень устойчива. Когда в структуре разрывается лактонная связь, она превращается в 2,3-дикето-L-гулоновую кислоту. Эта реакция необратима. При окислении дикетогулоновая кислота расщепляется на щавелевую и L-треоновую кислоты. Аналогичное превращение ДАК наблюдается и в организме.

В сухом кристаллическом состоянии аскорбиновая кислота хорошо сохраняется, не подвергаясь окислительным изменениям. В водных растворах она окисляется в ДАК, для чего достаточно присутствия следов влаги. Аскорбиновая кислота относительно более устойчива в кислой среде, в которой ее окисление требует присутствия катализаторов (см. ниже). В щелочной среде при значениях рН 7,6 и выше происходит ее самоокисление. Присутствие кислорода способствует окислению аскорбиновой кислоты, но этот процесс может осуществляться и в анаэробных условиях под влиянием таких окислителей, как йод, перманганат, нитрат серебра, 2,6-дихлорфенолиндофенол, и других соединений, которые сами восстанавливаются. Вследствие легкой окисляемости аскорбиновая кислота является донором водорода, количественно восстанавливает многие соединения. Такие окислительно-восстановительные реакции положены в основу многих методов определения аскорбиновой кислоты. Среди последних большое распространение получил метод, основанный на реакции восстановления аскорбиновой кислотой синего индикатора — 2,6-дихлорфенолиндофенола, который переходит в бесцветное лейкопроизводное. Окисление аскорбиновой кислоты катализируется медью. В растениях имеется медьсодержащий фермент аскорбатоксидаза (L-аскорбат: О2 — оксидоредуктаза, КФ 1.10.3.3), специфически катализирующая реакцию:

2L-аскорбат + О2 = 2- дегидроаскорбат + 2H2O.

Имеется предположение, что специфическим катализатором окисления аскорбиновой кислоты в животных организмах является медьсодержащий белок, обладающий оксидазной активностью — церулоплазмин. В меньшей степени катализируют окисление аскорбиновой кислоты другие катионы, в частности железо и серебро. Окисление аскорбиновой кислоты ускоряют хиноны, некоторые антибиотики — террамицин, стрептомицин (но не пенициллин). С другой стороны, известно множество веществ, которые тормозят окислительный распад аскорбиновой кислоты: многие комплексоны, флавоноиды, рибонуклеиновые кислоты, кислые полисахариды. Многие белки ингибируют окисление аскорбиновой кислоты путем ее связывания или образования комплексов с медью. Окисление аскорбиновой кислоты тормозится в присутствии тиоловых соединений (глютатион, тиомочевина, тиосульфат, тиамин, ксантин, мочевая кислота, теофеллин, креатинин, некоторые аминокислоты, сахароза).

Распад ДАК—раскрытие лактонного кольца и образование дике-тогулоновой кислоты — протекает самопроизвольно со значительной скоростью в кислой среде и при низкой температуре. При рН 5,0 и температуре 80° разрушение ДАК на 50% наступает за 5 минут, при рН, свойственном животным тканям, и температуре тела — за 5—10 минут. Следует отметить, что ДАК, введенная человеку, полностью восстанавливается в аскорбиновую кислоту. При окислении аскорбиновой кислоты азотистой кислотой в ДАК образуется активный промежуточный продукт—свободный радикал монодегидроаскорбиновой кислоты. Подобные же продукты обнаружены в условиях живых организмов. После осуществления синтеза аскорбиновой кислоты открылись возможности получения большого числа ее аналогов, изомеров и родственных соединений и исследования связи между их строением и биологической активностью. Антискорбутическая активность зависит от наличия пятичленного лактонного кольца. Очень важно расположение атомов в молекуле. Незначительные пространственные перемещения их сказываются на биологической активности. Для проявления противоцинготной активности лактонная связь должна находиться справа от углеродной цепи. Хотя ДАК обладает полной активностью аскорбиновой кислоты, продукт, образующийся при раскрытии ее лактонного кольца — дикетогулоновая кислота, совершенно неактивен;

Еще в 30-е годы было отмечено, что если при определении витамина С растительные ткани экстрагировать на холоде и при нагревании, то во втором случае экстракт восстанавливает большие количества дихлор-фенолиндофенола. Такой же прирост редуцирующей способности наблюдается после кислотного гидролиза материала. На основании этих наблюдений было сделано предположение о присутствии в растениях аскорбиновой кислоты, связанной с белками, не реагирующей с дихлор-фенолиндофенолом и освобождающейся при гидролизе. Связанную форму витамина С обозначили термином «аскорбиген» Однако большинство авторов оспаривали существование связанной АК. Этот вопрос был разрешен опытами, в которых гомогенаты растений обрабатывали белковыми осадителями и полученные преципитаты, полностью отмытые от свободной аскорбиновой кислоты, подвергали гидролизу с соляной кислотой. При этом освобождалась аскорбиновая кислота, появление которой было доказано реакцией с 2,6-дихлорфенолиндофенолом. В этой же работе было установлено наличие связанной аскорбиновой кислоты в тканях животных и человека. Концентрация связанной аскорбиновой кислоты в картофеле, капусте, печени и стенках кишечника крыс, морских свинок и человека достигает 30—-40% общего содержания в них аскорбиновой кислоты. Вторым компонентом связанной аскорбиновой кислоты может являться как белок, так и соединения небелковой природы. По данным чешских авторов, вторым компонентом связанной аскорбиновой кислотой в растениях является индол.

Третья связанная форма аскорбиновой кислоты — ее соединение через атом железа с нуклеиновой кислотой. Ее обозначили Fe-аскорбиновая кислота. Четвертая форма связанной аскорбиновой кислоты наблюдается в растительных тканях, где АК вступает в соединение с дубильными веществами типа полифенолов, обладающими Р-витаминным действием. Показано, что при добавлении in vitro к крови аскорбиновой кислоты, она образует с белками лабильный комплекс, который остается в осадке после прибавления сульфата аммония и расщепляется под влиянием кислотных осадителей. Связанная аскорбиновая кислота присутствует также в молоке.

Как и у многих углеводов, первичный гидроксил при С-6 L-аскорбиновой кислоты легко подвергается трифенилметилированию (тритилированию) под действием трифенилхлорметана в пиридине (рис. 4.8).

Метилирование L-аскорбиновой кислоты диазометаном проливает свет на таутомерную природу витамина. Повышенная кислотность гидроксила при С-3 позволяет оттитровать его диазометаном в эфире; при этом образуется.

3-О-метиласкорбиновая кислота. Реакция сопровождается образованием небольших количеств 1-метил-ш-L-аскорбиновой кислоты вследствие присутствия минорных количеств таутомера. Оба соединения подвергаются дальнейшему етилированию диазометаном, давая 2,3-ди-О-метил-L-аскорбиновую и 1,2-ди-O-метилш-L-аскорбиновую кислоту соответственно (рис. 4.9).

Под действием щелочи с последующим подкислением 2,3-ди-О-метильное производное претерпевает интересную цепь превращений. Образуется не простой моноциклический лактон, а бициклическое производное с единственным свободным гидроксилом — 2,3-изодиметил-L-аскорбиновая кислота. Кислотный гидролиз этого продукта приводит к 3-О-метил-L-аскорбиновой кислоте, которая также получается при стоянии на холоду водного раствора 1,2-диO-метилш-Lаскорбиновой кислоты, что сопровождается потерей лабильного метильного остатка при С-1. Как и следовало ожидать, 3-O-метил-L-аскорбиновая кислота легко метилируется под действием диазометана в эфире, образуя 2,3-ди-О-метилированное производное. Описанные превращения суммированы на рис. .10.

2,3-Ди-О-метил-L-аскорбиновая кислота может быть подвергнута дальнейшему метилированию иодметаном в присутствии оксида серебра с образованием 2,3,5,6-тетра-О-метилированного продукта, а также тритилированию первичной спиртовой группы при С-6. Метилирование с последующим снятием тритильной защитной группировки в кислой среде приводит к 2,3,5-три-О-метильному производному (рис. 4.11), которое, как было показано, участвует в цепи превращений, идентичных приведенным на рис. 4.10, и превращается в бициклическое 2,3,5-изотриметильное производное.

Катализируемая кислотами этерификация аскорбиновой кислоты, например ацетилирование, первоначально приводит к образованию О-6-ацильного производного, а в более жестких условиях — к 5,6-диэфиру. Кристаллический 5,6-диацетат хорошо известен; получение 2,3,4,6-тетраацетата требует еще более жестких условий.

В щелочных условиях электрофильная атака алкилирующих и ацилирующих агентов зависит от кислотности и стерической доступности гидроксильных групп при С-2, С-3, С-5 и С-6. Наиболее кислым является атом водорода гидроксила при С-3 (рКа = 4,25), но делокализация отрицательного заряда в соответствующем анионе снижает его реакционную способность и приводит к возникновению двойственной природы, которая выражается в том, что алкилироваться может не только положение О-3, но и положение С-2. В результате селективная модификация положения О-3 затруднена, и добиться ее можно только с помощью таких сильных алкилирующих и ацилирующих агентов, как диазометан и хлорангидриды.

Потеря второго протона гидроксилом при С-2 (рКа = 11,79) приводит к образованию дианиона, который селективно алкилируется и ацилируется по тому положению (рис. 4.12).

Подобный подход можно использовать при синтезе 2-О-неорганических эфиров, например 2-О-сульфата. Если защищены оба гидроксила при С-2 и С-3, то в присутствии основания модифицируется более доступная стерически первичная спиртовая группа при С-6 и последнюю очередь — при С-5 (рис. 4.13).

Катализируемое кислотами образование ацеталей и кеталей аскорбиновой кислоты применяется для специфической защиты одновременно двух гидроксильных групп в процессе структурной модификации. Такие 5,6-О-производные, как изопропилиденкеталь и бензилиденацеталь, хорошо известны, а недавно появилась возможность селективно защищать гидроксильные группы при С-2 и С-3 с помощью реакционноспособных альдегидов (рис. 4.14).

Эти новые реакции открыли путь к селективному модифицированию как первичных, так и вторичных спиртовых групп молекулы аскорбиновой кислоты.

L-Аскорбиновая кислота является сильным восстановителем в водном растворе, однако в безводной среде это не так очевидно. Первая стадия окисления легко обратима и приводит к образованию дегидроаскорбиновой кислоты, структура и свойства которой будут рассмотрены в следующем разделе. Дегидроаскорбиновая кислота также способна быть восстановителем особенно в щелочных условиях и при окислении гипоиодит-ионом или молекулярным кислородом распадается на L-треонин и щавелевую кислоту. Эта реакция фрагментации оказалась очень полезной при установлении структуры витамина С. Аналогичная фрагментация происходит также при обработке пероксидом водорода в щелочной среде или перманганатом калия в кислой или щелочной среде, причем кроме вышеназванных продуктов детектируется еще и ряд других.

Скорость аэробного окисления аскорбиновой кислоты зависит от рН раствора, достигал максимума при рН 5 и 11,5. Однако наиболее быстро и полно фрагментация протекает в щелочной среде. Окислительное расщепление происходит и в анаэробных условиях, хотя и медленнее.

Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение инициируют фотохимическое окисление аскорбиновой кислоты в водных растворах по свободнорадикальному механизму как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Окисление первичной и вторичной спиртовых групп аскорбиновой кислоты при С-5 и С-6 может теоретически приводить к образованию ряда побочных продуктов. Получение таких производных непосредственно из L-аскорбиновой кислоты требует селективной защиты гидроксилов при С-2 и С-3. На рис. 4.15 приведены примеры соединений такого типа, которые удалось выделить.

Производные L-аскорбиновой кислоты, у которых один или более гидроксилов при С-2, С-3, С-5 или С-6 замещены на атом водорода, известны как дезоксисоединения. Нестабильность витамина С подогревает интерес к его более стабильным аналогам при условии сохранения ими антискорбутного действия.

Известно, что 6-дезокси-L-аскорбиновая и L-рамноаскорбиновая кислоты (рис. 4.16) сохраняют соответственно 30 и 20% антискорбутной активности витамина С. В последние годы были синтезированы еще некоторые соединения такого типа (рис. 4.17). Обнадеживает, что 6-хлор-6-дезоксипроизводное обладает повышенной термической стабильностью по сравнению с витамином С и в то же время обладает заметной антицинготной активностью.

Эффективность витамина в заживлении ран и способность ускорять рост связаны с его участием в синтезе волокнистых соединительных тканей, особенно в ускорении посттрансляционного гидроксилирования остатков пролина и лизина коллагена — наиболее распространенного белка животного мира. Этот процесс, все еще далекий от того, чтобы быть полностью понятным, в ходе которого, как это ни парадоксально, восстановительные свойства аскорбиновой кислоты необходимы для окисления пролина и лизина, будет главной темой настоящего раздела. Хотя, конечно, этим роль аскорбиновой кислоты отнюдь не ограничивается. Начиная с первых лет становления биохимии витамина С, ознаменовавшихся спорами вокруг его открытия, а также вокруг роли в метаболизме аминокислот, сфера влияния этого соединения все более расширялась, охватывая различные аспекты иммунологии, онкологии, процессов пищеварения и всасывания, эндокринологии, нейрологии, детоксикации и профилактики катаракты.

Среди высших организмов лишь очень немногие не способны к биосинтезу витамина С. К ним относится и Homo sapiens, поэтому неудивительно, что большая часть из того, что известно о биохимии L-аскорбиновой кислоты, имеет отношение к млекопитающим.

Большинство живых организмов могут превращать D-глюкозу в L-аскорбиновую кислоту. Важно ясно понимать, что это превращение происходит не через эпимеризацию, а через формальный поворот в плоскости на 180° соединения D-ряда, в результате чего образуется соединение, относящееся к L-ряду. Следует помнить, что представленное на рис. 5.2 изображение ациклической формы D-глюкозы, относится к D-ряду, так как гидроксильная группа у предпоследнего атома углерода (в данном случае С-5) расположена справа от него.

Защитив предварительно реакционноспособную альдегидную группу по С-1, можно окислить D-глюкозу поположениюС-6, получив D-глюкуроновую кислоту (рис. 5.3).

Если теперь С-1 альдегидную группу восстановить до первичного гидроксила, мы получим соединение, структура которого приведена на рис. 5.4.

Наиболее важная функциональная группировка (в данном случае карбоксильная при С-6) обычно располагается в верхней части изображения, а соответствующему атому углерода присваивается номер С-1. Следовательно, если повернуть лист бумаги на 180° или перевернуть изображение в плоскости, мы по;

получим соединение L-ряда — производное альдогексозы L-гулозы, называемое L-гулоновой кислотой (рис. 5.5). Последующие циклизация и окисление приводят к образованию L-аскорбиновой кислоты.

Считается, что все хлорофиллсодержащие растения и прорастающие семена могут синтезировать аскорбиновую кислоту согласно схеме, приведенной на рис. 5.8.

Согласно некоторым источникам, у растений более важна цепь превращений с участием D-галактуроновой кислоты, в результате которой после восстановления и замыкания лактонного кольца вместо L-гулонолактона образуется L-галактуронолактон, также превращающийся в L-аскорбиновую кислоту. Предшественником D-галактуроновой кислоты является, очевидно, D-галактоза — углевод, обнаруженный у млекопитающих и не найденный по крайней мере в значительных количествах у растений. Поэтому трудно предполагать, что этот процесс может быть важным. Тем не менее независимо от того, является ли исходным соединением D-глюкоза или D-галактоза, биосинтез L-аскорбиновой кислоты происходит через инверсию. Однако этому противоречат экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что у некоторых растений, например у созревающей клубники, превращение D-глюкозы в L-аскорбиновую кислоту осуществляется не через инверсию. Если использовать D-глюкозу, меченную тритием (3Н) по положению С-6, в образующейся L-аскорбиновой кислоте меченым оказывается также положение С-6. Результаты генноинженерной работы, в которой была получена экспрессия гена фермента редуктазы Corynebacterium в бактериях Erwinia herbicola, демонстрируют наличие в цепи превращений еще двух промежуточных соединений — D-глюконовой и 2,5-дикетоглюконовой кислот. В этом случае нет необходимости в инверсии, чтобы объяснить, каким образом D-глюкоза трансформируется в L-аскорбиновую кислоту. Очевидно, следует предположить, что одни растения продуцируют L-гулоновую кислоту через D-глюкуроновую или D-гaлактуроновую кислоты, тогда как у других процесс протекает через образование d-глюконовой и 2,5-дикетоглюконовой кислот и не требует инверсии.

Большая часть исследований по синтезу аскорбиновой кислоты у животных была выполнена на лабораторных крысах, и результаты подтвердили идею о полной С-1/С-6 инверсии между D-глюкуронатом и L-гулонатом. Большинство представителей земной фауны способны биосинтезировать L-аскорбиновую кислоту из d-глюкозы через промежуточные соединения — D-глюкуроновую кислоту, L-гулоновую кислоту, L-гулонолактон и 2-кето-L-гулонолактон. Исключение составляют приматы (включая и Homo sapiens) и некоторые другие млекопитающие, а также рыбы, насекомые и некоторые виды птиц. Остается лишь гадать, почему эти представители животного мира утратили способность к биосинтезу аскорбиновой кислоты. По-видимому, их далекие предки лишились генетического материала, необходимого для синтеза фермента L-гулонолактоноксидазы, что и заблокировало завершающую стадию в цепи превращений. Полагают, что эта досадная ошибка произошла 25 миллионов лет назад и именно она привела к тому, что человек делит несомненные трудности своего положения с другими приматами, морскими свинками, индийскими крыланами, некоторыми видами птиц, включая дрозда с экзотическим голосом; рыбами и некоторыми видами насекомых, включая обитающую в пустыне саранчу, тутового шелкопряда и жуков Anthonomus. Возможно, что у всех травоядных насекомых (поедающих зеленые растения) существует потребность в поступлении витамина С с пищей. Выведение его из рациона, например, саранчи приводит к абортивной линьке и смерти. У тех представителей животного мира, которые способны самообеспечивать себя аскорбиновой кислотой, ее биосинтез осуществляется в печени (млекопитающие) или почках (птицы, рептилии, амфибии).