stringtranslate.com

Глиоксиловая кислота

Глиоксиловая кислота или оксоуксусная кислота является органическим соединением . Глиоксиловая кислота вместе с уксусной , гликолевой и щавелевой кислотами относится к группе С 2 -карбоновых кислот . Это бесцветное твердое вещество, встречающееся в природе и используемое в промышленности.

Структура и номенклатура

Показано, что структура глиоксиловой кислоты имеет альдегидную функциональную группу . Альдегид является лишь второстепенным компонентом формы, наиболее распространенной в некоторых ситуациях. Вместо этого глиоксалевая кислота часто существует в виде гидрата или циклического димера . Например, в присутствии воды карбонил быстро превращается в геминальный диол (описываемый как «моногидрат»). Константа равновесия ( K ) составляет 300 для образования дигидроксиуксусной кислоты при комнатной температуре: [5] Дигидроксиуксусная кислота была охарактеризована методом рентгеновской кристаллографии . [6]

В водном растворе этот моногидрат существует в равновесии с формой полуацилального димера: [7]

Изолированно, альдегидная структура имеет в качестве основного конформера циклическую структуру с водородными связями , в которой карбонил альдегида находится в непосредственной близости от карбоксильного водорода: [8]

Константа закона Генри глиоксиловой кислоты равна K H = 1,09 × 10 4 × exp[(40,0 × 10 3 /R) × (1/T - 1/298)]. [9]

Препараты

Сопряженное основание глиоксиловой кислоты известно как глиоксилат и представляет собой форму, в которой соединение существует в растворе при нейтральном pH. Глиоксилат является побочным продуктом процесса амидирования при биосинтезе нескольких амидированных пептидов .

Для справки, глиоксиловую кислоту получали из щавелевой кислоты электросинтетически : [10] [11] в органическом синтезе катоды из диоксида свинца применялись для получения глиоксиловой кислоты из щавелевой кислоты в сернокислом электролите. [12]

Горячая азотная кислота может окислить глиоксаль до глиоксиловой кислоты; однако эта реакция сильно экзотермична и склонна к выходу из-под контроля. Кроме того, щавелевая кислота является основным побочным продуктом.

Также эффективен озонолиз малеиновой кислоты . [7]

Биологическая роль

Глиоксилат является промежуточным продуктом глиоксилатного цикла , который позволяет таким организмам , как бактерии, [13] грибы и растения [14] превращать жирные кислоты в углеводы . Глиоксилатный цикл также важен для индукции защитных механизмов растений в ответ на грибки. [15] Глиоксилатный цикл инициируется активностью изоцитратлиазы, которая превращает изоцитрат в глиоксилат и сукцинат. Проводятся исследования, чтобы использовать этот путь для различных целей, таких как биосинтез сукцината. [16]

В людях

Глиоксилат образуется двумя путями: окислением гликолята в пероксисомах или катаболизмом гидроксипролина в митохондриях. [17] В пероксисомах глиоксилат превращается в глицин с помощью AGT1 или в оксалат с помощью гликолатоксидазы. В митохондриях глиоксилат превращается в глицин под действием AGT2 или в гликолат под действием глиоксилатредуктазы. Небольшое количество глиоксилата превращается в оксалат под действием цитоплазматической лактатдегидрогеназы. [18]

Метаболизм оксалатов и глиоксилатов в гепатоцитах. AGT1 и 2, аланин:глиоксилатаминотрансфераза 1 и 2; ГО — гликолатоксидаза; ГР – глиоксилатредуктаза; HKGA, 4-гидрокси-2-кетоглутаратлиаза; ЛДГ, лактатдегидрогеназа

В растениях

Помимо того, что глиоксилат является промежуточным продуктом глиоксилатного цикла , он также является важным промежуточным продуктом в пути фотодыхания . Фотодыхание является результатом побочной реакции RuBisCO с O 2 вместо CO 2 . Хотя фотодыхание сначала считалось пустой тратой энергии и ресурсов, оно оказалось важным методом регенерации углерода и CO 2 , удаления токсичного фосфогликолата и запуска защитных механизмов. [19] [20] При фотодыхании глиоксилат преобразуется из гликолата за счет активности гликолатоксидазы в пероксисоме. Затем он превращается в глицин посредством параллельного действия SGAT и GGAT, который затем транспортируется в митохондрии. [21] [20] Также сообщалось, что комплекс пируватдегидрогеназы может играть роль в метаболизме гликолатов и глиоксилатов. [22]

Базовый обзор фотодыхания Arabidopsis. GGAT, глиоксилат:глутаматаминотрансфераза; GLYK, глицерат-киназа; ГО — гликолатоксидаза; HPR, гидроксипируватредуктаза; PGLP, фосфогликолатфосфатаза; Рубиско, карбоксилаза/оксигеназа RuBP; SGAT, серин:глиоксилатаминотрансфераза; SHM, серингидроксиметилтрансфераза

Актуальность заболевания

Диабет

Считается, что глиоксилат является потенциальным ранним маркером диабета II типа . [23] Одним из ключевых состояний патологии диабета является выработка конечных продуктов гликирования (AGE), вызванная гипергликемией . [24] КПГ могут привести к дальнейшим осложнениям диабета, таким как повреждение тканей и сердечно-сосудистые заболевания. [25] Они обычно образуются из реактивных альдегидов, например, присутствующих в редуцирующих сахарах и альфа-оксоальдегидах . В исследовании было обнаружено, что уровни глиоксилата значительно повышаются у пациентов, у которых позже был диагностирован диабет II типа. [23] Повышенные уровни иногда обнаруживались за три года до постановки диагноза, что демонстрирует потенциальную роль глиоксилата в качестве раннего прогностического маркера.

Нефролитиаз

Глиоксилат участвует в развитии гипероксалурии , ключевой причины нефролитиаза (широко известного как камни в почках). Глиоксилат является одновременно субстратом и индуктором переносчика сульфат-анионов-1 (sat-1), гена, ответственного за транспортировку оксалатов, что позволяет ему увеличивать экспрессию мРНК sat-1 и, как следствие, отток оксалатов из клетки. Повышенное высвобождение оксалатов приводит к накоплению оксалата кальция в моче и, следовательно, к возможному образованию камней в почках. [18]

Нарушение обмена глиоксилатов является дополнительным механизмом развития гипероксалурии. Мутации потери функции в гене HOGA1 приводят к потере 4-гидрокси-2-оксоглутаратальдолазы, фермента пути превращения гидроксипролина в глиоксилат. Глиоксилат, образующийся в результате этого пути, обычно хранится, чтобы предотвратить окисление до оксалата в цитозоле. Однако нарушенный путь вызывает накопление 4-гидрокси-2-оксоглутарата, который также может транспортироваться в цитозоль и превращаться в глиоксилат с помощью другой альдолазы. Эти молекулы глиоксилата могут окисляться в оксалат, увеличивая его концентрацию и вызывая гипероксалурию. [17]

Реакции и использование

Глиоксиловая кислота примерно в десять раз сильнее кислоты, чем уксусная , с константой диссоциации кислоты 4,7 × 10 -4 (p K a = 3,32):

ОЧКО 2 H ⇌ ОЧКО−
2 + Ч +

С концентрированным основанием глиоксиловая кислота диспропорционируется посредством реакции Канниццаро , образуя гидроксиуксусную кислоту и щавелевую кислоту : [ нужна ссылка ]

2 OCHCO 2 H + H 2 O → HOCH 2 CO 2 H + HO 2 CCO 2 H

Глиоксиловая кислота при конденсации с мочевиной и 1,2-диаминобензолом дает гетероциклы .

Производные фенола

В общем, глиоксиловая кислота подвергается реакции электрофильного ароматического замещения фенолами , что является универсальной стадией в синтезе ряда других соединений.

Непосредственным продуктом фенола является 4-гидроксиминдальная кислота . Этот вид реагирует с аммиаком с образованием гидроксифенилглицина, предшественника препарата амоксициллин . Восстановление 4-гидроксиминдальной кислоты дает 4-гидроксифенилуксусную кислоту , предшественник препарата атенолол .

Последовательность реакций, в которых глиоксиловая кислота реагирует с гваяколом (фенольным компонентом) с последующим окислением и декарбоксилированием , открывает путь к получению ванилина как чистого процесса формилирования . [7] [26] [27]

Реакция Хопкинса Коула

Глиоксиловая кислота является компонентом реакции Хопкинса-Коула , используемой для проверки наличия триптофана в белках. [28]

Экологическая химия

Глиоксиловая кислота — одна из нескольких кетон- и альдегидсодержащих карбоновых кислот, которые вместе широко распространены во вторичных органических аэрозолях . В присутствии воды и солнечного света глиоксиловая кислота может подвергаться фотохимическому окислению. Может произойти несколько различных путей реакции, приводящих к образованию различных других карбоновых кислот и альдегидных продуктов. [29]

Безопасность

Соединение не очень токсично: ЛД 50 для крыс составляет 2500 мг/кг.

Но недавний эксперимент показывает, что он токсичен. См. https://karger.com/cnd/article/12/2/112/827730/Acute-Kidney-Injury-following-Exposure-to.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab "Front Matter". Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 (Синяя книга) . Кембридж: Королевское химическое общество . 2014. с. 748. дои : 10.1039/9781849733069-FP001. ISBN 978-0-85404-182-4.
  2. ^ Константы диссоциации органических кислот и оснований (600 соединений), http://zirchrom.com/organic.htm.
  3. ^ Данные pKa, составленные Р. Уильямсом, «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 июня 2010 г. Проверено 2 июня 2010 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link).
  4. ^ Индекс Merck , 11-е издание, 4394.
  5. ^ Соренсен, ЧП; Брюн, К.; Линделёв, Ф. (1974). «Кинетика и равновесия обратимой гидратации альдегидной группы в глиоксиловой кислоте». Акта Хим. Скан . 28 : 162–168. doi : 10.3891/acta.chem.scand.28a-0162 .
  6. ^ Чапик, Агнешка; Гданец, Мария (2007). «Хиноксалин-дигидроксиуксусная кислота (1/1)». Acta Crystallographica Раздел E: Онлайн-отчеты о структуре . 63 (7): о3081. дои : 10.1107/S1600536807025792.
  7. ^ abc Жорж Маттиода и Яни Кристидис «Глиоксиловая кислота», Энциклопедия промышленной химии Ульмана, 2002, Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a12_495
  8. ^ Редингтон, Ричард Л.; Лян, Чин-Кан Джим (1984). «Колебательные спектры мономеров глиоксиловой кислоты». Журнал молекулярной спектроскопии . 104 (1): 25–39. Бибкод : 1984JMoSp.104...25R. дои : 10.1016/0022-2852(84)90242-X.
  9. ^ Ип, Х.С. Саймон; Хуанг, XH Хильда; Ю, Цзянь Чжэнь (2009). «Эффективные константы закона Генри для глиоксаля, глиоксиловой кислоты и гликолевой кислоты» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 36 (1): L01802. Бибкод : 2009GeoRL..36.1802I. дои : 10.1029/2008GL036212. S2CID  129747490.
  10. ^ Тафель, Юлиус; Фридрихс, Густав (1904). «Электролитическое восстановление от Carbonsäuren und Carbonsäureestern в schwefelsaurer Lösung». Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft . 37 (3): 3187–3191. дои : 10.1002/cber.190403703116.
  11. ^ Коэн, Юлиус (1920). Практическая органическая химия, 2-е изд. (PDF) . Лондон: Macmillan and Co. Limited. стр. 102–104.
  12. ^ Франсуа Кардарелли (2008). Справочник материалов: краткий настольный справочник. Спрингер. п. 574. ИСБН 978-1-84628-668-1.
  13. ^ Холмс WH (1987). «Контроль потока через цикл лимонной кислоты и обход глиоксилата в Escherichia coli». Biochem Soc Symp . 54 : 17–31. ПМИД  3332993.
  14. ^ Эшер CL, Видмер Ф (1997). «Мобилизация липидов и глюконеогенез у растений: представляет ли активность ферментов глиоксилатного цикла настоящий цикл? Гипотеза». Биол. Хим . 378 (8): 803–813. ПМИД  9377475.
  15. ^ Дубей, Мукеш К.; Броберг, Андерс; Сурияараччи, Сандживани; Убхаясекера, Вимал; Дженсен, Дэн Фанк; Карлссон, Магнус (сентябрь 2013 г.). «Глиоксилатный цикл участвует в плеотропных фенотипах, антагонизме и индукции защитных реакций растений в средстве биоконтроля грибков Trichoderma atroviride». Грибковая генетика и биология . 58–59: 33–41. дои :10.1016/j.fgb.2013.06.008. ISSN  1087-1845. ПМИД  23850601.
  16. ^ Чжу, Ли-Вэнь; Ли, Сяо-Хун; Чжан, Лей; Ли, Хун-Мэй; Лю, Цзянь-Хуа; Юань, Чжан-Пэн; Чен, Тао; Тан, Я-Цзе (ноябрь 2013 г.). «Активация глиоксилатного пути без активации родственного ему гена в сконструированной Escherichia coli, продуцирующей сукцинат». Метаболическая инженерия . 20 :9–19. дои : 10.1016/j.ymben.2013.07.004. ISSN  1096-7176. ПМИД  23876414.
  17. ^ аб Белостоцкий, Рут; Питт, Джеймс Джонатон; Фришберг, Яаков (1 декабря 2012 г.). «Первичная гипероксалурия III типа — модель для изучения нарушений метаболизма глиоксилатов». Журнал молекулярной медицины . 90 (12): 1497–1504. doi : 10.1007/s00109-012-0930-z. hdl : 11343/220107 . ISSN  0946-2716. PMID  22729392. S2CID  11549218.
  18. ^ Аб Шнедлер, Нина; Буркхардт, Герхард; Буркхардт, Биргитта К. (март 2011 г.). «Глиоксилат является субстратом сульфат-оксалатного обменника sat-1 и увеличивает его экспрессию в клетках HepG2». Журнал гепатологии . 54 (3): 513–520. дои : 10.1016/j.jhep.2010.07.036. ISSN  0168-8278. ПМИД  21093948.
  19. ^ «Фотодыхание». Архивировано из оригинала 11 декабря 2006 г. Проверено 9 марта 2017 г.
  20. ^ аб Петерансель, Кристоф; Хорст, Ина; Ниссен, Маркус; Блюм, Кристиан; Кебейш, Рашад; Кюркчуоглу, София; Кройзалер, Фриц (23 марта 2010 г.). «Фотодыхание». Книга «Арабидопсис» . 8 : e0130. дои : 10.1199/таб.0130. ISSN  1543-8120. ПМК 3244903 . ПМИД  22303256. 
  21. ^ Чжан, Чжишэн; Мао, Синсюэ; Оу, Хуаньин; Да, Нэнхуэй; Чжан, Цзяньхуа; Пэн, Синьсян (январь 2015 г.). «Отличные фотодыхательные реакции преимущественно катализируются глутамат:глиоксилатными и серин:глиоксилатаминотрансферазами в рисе». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 142 : 110–117. doi :10.1016/j.jphotobiol.2014.11.009. ISSN  1011-1344. ПМИД  25528301.
  22. ^ Блюм, Кристиан; Беренс, Кристоф; Эйбель, Хольгер; Браун, Ханс-Петер; Петерансель, Кристоф (ноябрь 2013 г.). «Возможная роль комплекса пируватдегидрогеназы хлоропластов в метаболизме гликолатов и глиоксилатов растений». Фитохимия . 95 : 168–176. Бибкод : 2013PChem..95..168B. doi :10.1016/j.phytochem.2013.07.009. ISSN  0031-9422. ПМИД  23916564.
  23. ^ аб Никифорова, Виктория Дж.; Гисбертц, Питер; Вимер, Ян; Бетан, Бьянка; Лузер, Ральф; Либенберг, Волкер; Руис Ноппингер, Патрисия; Дэниел, Ханнелор; Рейн, Дитрих (2014). «Глиоксилат, новый метаболит-маркер диабета 2 типа». Журнал исследований диабета . 2014 : 685204. doi : 10.1155/2014/685204 . ISSN  2314-6745. ПМК 4265698 . ПМИД  25525609. 
  24. ^ Нгуен, Дунг В.; Шоу, Линн С.; Грант, Мария Б. (21 декабря 2012 г.). «Воспаление в патогенезе микрососудистых осложнений при сахарном диабете». Границы эндокринологии . 3 : 170. дои : 10.3389/fendo.2012.00170 . ISSN  1664-2392. ПМЦ 3527746 . ПМИД  23267348. 
  25. ^ Пиарулли, Франческо; Сарторе, Джованни; Лаполла, Аннунциата (апрель 2013 г.). «Гликоокисление и сердечно-сосудистые осложнения при диабете 2 типа: обновленная клиническая информация». Акта Диабетологика . 50 (2): 101–110. дои : 10.1007/s00592-012-0412-3. ISSN  0940-5429. ПМЦ 3634985 . ПМИД  22763581. 
  26. ^ Фатиади, Александр; Шаффер, Роберт (1974). «Улучшенная процедура синтеза DL-4-гидрокси-3-метоксиминдальной кислоты (DL-«ванилил»-миндальная кислота, VMA)». Журнал исследований Национального бюро стандартов . Раздел A. 78А (3): 411–412. дои : 10.6028/jres.078A.024 . ПМК 6742820 . ПМИД  32189791. 
  27. ^ Камлет, Йонас ; Мэтисон, Олин (1953). Производство ванилина и его гомологов. Патент США 2 640 083 (PDF) . Патентное ведомство США.
  28. ^ Р. А. Джоши (2006). Вопрос Банка Биохимии. Нью Эйдж Интернэшнл. п. 64. ИСБН 978-81-224-1736-4.
  29. ^ Юджин, Алексис Дж.; Ся, Ша-Ша; Гусман, Марсело И. (2016). «Водная фотохимия глиоксиловой кислоты». Дж. Физ. хим. А.​ 120 (21): 3817–3826. Бибкод : 2016JPCA..120.3817E. дои : 10.1021/acs.jpca.6b00225 . ПМИД  27192089.