Биоорганическая химия. История развития биоорганической химии. б) обобщенные умения
“ … Столько было всяких удивительных происшествий,
Что ничто не казалось ей теперь совсем не возможным”
Л. Кэрролл «Алиса в стране чудес»
Биоорганическая химия развивалась на границе между двумя науками: химией и биологией. В настоящее время к ним присоединились медицина и фармакология. Все эти четыре науки используют современные методы физических исследований, математического анализа и компьютерного моделирования.
В 1807 году Й.Я . Берцелиус предложил, что вещества, подобные оливковому маслу или сахару, которые распространены в живой природе, следует называть органическими.
К этому времени уже были известны многие природные соединения, которые впоследствии стали определять как углеводы, белки, липиды, алкалоиды.
В 1812 г. российский химик К.С.Кирхгоф превратил крахмал, нагревая его с кислотой, в сахар, названный позднее глюкозой.
В 1820 г. французский химик А. Браконно , обрабатывая белок желатину, получил вещество глицин, относящееся к классу соединений, которые позднее Берцелиус назвал аминокислотами .
Датой рождения органической химии можно считать опубликованную в 1828 году работу Ф.Велера , который впервые синтезировал вещество природного происхождения – мочевину- из неорганического соединения цианата аммония.
В 1825 году физик Фарадей выделил бензол из газа, который использовали для освещения города Лондона. Присутствием бензола можно объяснить коптящее пламя лондонских фонарей..
В 1842 г. Н.Н. Зинин осуществил синтез анилина ,
В 1845 г. А.В. Кольбе, ученик Ф. Велера, синтезировал уксусную кислоту- несомненно природное органическое соединение - из исходных элементов(углерода, водорода, кислорода)
В 1854 г. П. М. Бертло нагревал глицерин со стеариновой кислотой и получил тристеарин, который оказался идентичным(одинаковым) с природным соединением, выделенным из жиров. Далее П.М. Бертло взял другие кислоты, которые не были выделены из природных жиров и получил соединения, очень похожие на природные жиры. Этим французский химик доказал, что можно получать не только аналоги природных соединений, но и создавать новые, похожие и одновременно отличающиеся от природных.
Многие крупные достижения органической химии второй половины Х1Х связаны с синтезом и изучением природных веществ.
В 1861 г. немецкий химик Фридрих Август Кекуле фон Страдонитц(называемый всегда в научной литературе просто Кекуле) опубликовал учебник, в котором определил органическую химию как химию углерода.
В период 1861- 1864 гг. российский химик А.М. Бутлеров создал единую теорию строения органических соединений, которая позволила перевести все имеющиеся достижения на единую научную основу и открыла путь к развитию науки органической химии.
В этот же период Д.И Менделеев. известный всему миру как ученый, который открыл и сформулировал периодический закон изменения свойств элементов, опубликовал учебник « Органическая химия». В нашем распоряжении есть его 2-е издание.(исправленное и дополненное, Издание Товарищества «Общественная польза», Санкт-Петербург, 1863г. 535 с)
В своей книге великий ученый четко определил связь органических соединений и процессов жизнедеятельности: « Многие из тех процессов и веществ, которые производятся организмами, мы можем воспроизвести искусственно, вне организма. Так, белковые вещества, разрушаясь в животных под влиянием кислорода, .поглощенного кровью, превращаются в аммиачные соли, мочевину, слизевый сахар, бензойную кислоту и др. вещества, обычно выделяющиеся мочой…Отдельно взятое каждое жизненное явление не есть следствие какой-то особой силы, но совершается по общим законам природы ». В те времена биоорганическая химия и биохимия еще не сформировались как
самостоятельные направления, вначале их объединяла физиологическая химия , но постепенно они выросли на основе всех достижений в две самостоятельные науки.
Наука биоорганическая химия изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя, в основном, методы органической, аналитический, физической химии, а также математики и физики
Главной отличительной чертой этого предмета является исследование биологической активности веществ в связи с анализом их химической структуры
Объекты изучения биоорганической химии : биологически важные природные биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты, липиды, низкомолекулярные вещества – витамины, гормоны, сигнальные молекулы, метаболиты – вещества участвующие в энергетическом и пластическом обмене веществ, синтетические лекарственные препараты.
К основным задачам биоорганической химии относятся:
1. Разработка методов выделения, очистки природных соединений, использование методов медицины для оценки качества препарата (например, гормона по степени его активности);
2. Определение строения природного соединения. Используются все методы химии: определение молекулярной массы, гидролиз, анализ функциональных групп, оптические методы исследования;
3. Разработка методов синтеза природных соединений;
4. Изучение зависимости биологического действия от строения;
5.Выяснение природы биологической активности, молекулярных механизмов взаимодействия с различными структурами клетки или с ее компонентами.
Развитие биоорганической химии на протяжении десятилетий связано с именами российских ученых: Д.И.Менделеева, А.М. Бутлерова, Н.Н.Зинина, Н.Д.Зелинского А.Н.Белозерского Н.А.Преображенского М.М.Шемякина, Ю.А. Овчинникова.
Основоположниками биоорганической химии за рубежом являются ученые, совершившие многие крупнейшие открытия: строение вторичной структуры белка (Л. Полинг), полный синтез хлорофилла, витамина В 12 (Р. Вудворд), использование ферментов в синтезе сложных органических веществ. в том числе, гена (Г. Корана) и другие
На Урале в г. Екатеринбурге в области биоорганической химии с 1928 по 1980 гг. работал заведующий кафедрой органической химии УПИ академик И.Я.Постовский, известный как один из создателей в нашей стране научного направления поиска и синтеза лекарственных препаратов и автор ряда препаратов(сульфаниламидов, противоопухолевых, противолучевых, противотуберкулезных).. Его исследования продолжают ученики, которые работают под руководством академиков О.Н.Чупахина, В.Н. Чарушина в УГТУ-УПИ и в Институте органического синтеза им. И.Я. Постовского Российской Академии Наук.
Биоорганическая химия тесно связана с задачами медицины, необходима для изучения, понимания биохимии, фармакологии, патофизиологии, гигиены. Весь научный язык биоорганической химии, принятые обозначения и используемые методы не отличаются от органической химии, которую вы изучали в школе
ЛЕКЦИЯ 1
Биоорганическая химия (БОХ), ее значение в медицине
БОХ – это наука, изучающая биологическую функцию органических веществ в организме.
БОХ возникла во 2-ой половине ХХ века. Объектами ее изучения служат биополимеры, биорегуляторы и отдельные метаболиты.
Биополимеры – высокомолекулярные природные соединения, которые являются основой всех организмов. Это пептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты (НК), липиды и др.
Биорегуляторы – соединения, которые химически регулируют обмен веществ. Это витамины, гормоны, антибиотики, алкалоиды, лекарственные препараты и др.
Знание строения и свойств биополимеров и биорегуляторов позволяет познать сущность биологических процессов. Так, установление строения белков и НК позволило развить представления о матричном биосинтезе белка и роли НК в сохранении и передаче генетической информации.
БОХ играет большую роль в установлении механизма действия ферментов, лекарств, процессов зрения, дыхания, памяти, нервной проводимости, мышечного сокращения и др.
Основная проблема БОХ – это выяснение взаимосвязи структуры и механизма действия соединений.
БОХ основана на материале органической химии.
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Это наука, изучающая соединения углерода. В настоящее время насчитывается ~ 16 млн. органических веществ.
Причины многообразия органических веществ.
1. Соединения атомов С друг с другом и др. элементами периодической системы Д. Менделеева. При этом образуются цепи и циклы:
Прямая цепь Разветвленная цепь
Тетраэдрическая Плоскостная конфигурация
конфигурация атома С атома С
2. Гомология – это существование веществ с близкими свойствами, где каждый член гомологического ряда отличается от предыдущего на группу
–СН 2 –. Например, гомологический ряд предельных углеводородов:
3. Изомерия – это существование веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение.
А.М. Бутлеров (1861) создал теорию строения органических соединений, которая и по сей день служит научной основой органической химии.
Основные положения теории строения органических соединений:
1) атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в соответствии с их валентностью;
2) атомы в молекулах органических соединений соединяются между собой в определенной последовательности, что обусловливает химическое строение молекулы;
3) свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от химического строения молекул;
4) в молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных;
5) химическое строение вещества можно определить в результате изучения его химических превращений и, наоборот, по строению вещества можно охарактеризовать его свойства.
Рассмотрим некоторые положения теории строения органических соединений.
Структурная изомерия
Она делится:
1) Изомерия цепи
2) Изомерия положения кратной связи и функциональных групп
3) Изомерия функциональных групп (межклассовая изомерия)
Формулы Ньюмена
Циклогексан
Форма «кресла» более энергетически выгодна, чем «ванна».
Конфигурационные изомеры
Это стереоизомеры, молекулы которых имеют различное расположение атомов в пространстве без учета конформаций.
По типу симметрии все стереоизомеры делятся на энантиомеры и диастереомеры.
Энантиомеры (оптические изомеры, зеркальные изомеры, антиподы) – это стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение. Это явление наз-ся энантиомерией. Все химические и физические св-ва энантиомеров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность. Условия энантиомерии: 1) атом С находится в состоянии sp 3 -гибридизации; 2) отсутствие всякой симметрии; 3) наличие асимметрического (хирального) атома С, т.е. атома, имеющего четыре разных заместителя.
Многие окси- и аминокислоты обладают способностью вращать плоскость поляризации луча света влево или вправо. Это явление наз-ся оптической активностью, а сами молекулы оптически активными. Отклонение луча света вправо отмечают знаком «+», влево – «–» и указывают угол вращения в градусах.
Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико-химическими методами.
Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещ-ва, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906), наз-ся вещ-вами D- и L-ряда. Равная смесь право- и левовращающих изомеров одного соединения наз-ся рацематом и оптически неактивна.
Исследования показали, что знак вращения света нельзя связывать с принадлежностью вещ-ва к D- и L-рядам, его определяют только экспериментально в приборах – поляриметрах. Например, L-молочная к-та имеет угол вращения +3,8 о, D- молочная к-та - -3,8 о.
Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера.
L-ряд D-ряд
Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, и наз-ся мезоизомерами.
 |
| Например: Винная к-та |
| D – (+) – ряд L – (–) – ряд | Мезовинная к-та |
Рацемат – виноградная к-та
Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими св-вами, наз-ся s-ди -а -стереоизомерами.
p-Диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле p-связь. Они встречаются у алкенов, непредельных высших карбоновых к-т, непредельных дикарбоновых к-т
Биологическая активность органических вещ-в связана с их строением.
Например:
Цис-бутендиовая к-та, Транс-бутендиовая к-та,
малеиновая к-та – фумаровая к-та – не ядовита,
очень ядовита содержится в организме
Все природные непредельные высшие карбоновые к-ты являются цис-изомерами.
ЛЕКЦИЯ 2
Сопряженные системы
В простейшем случае сопряженные системы – это системы с чередующимися двойными и одинарными связями. Они могут быть открытыми и закрытыми. Открытая система имеется в диеновых углеводородах (УВ).
Примеры:СН 2 = СН – СН = СН 2
Бутадиен-1, 3
ХлорэтенСН 2 = СН – Сl
Здесь происходит сопряжение p-электронов с р-электронами. Этот вид сопряжения наз-ся р, p-сопряжением.
Закрытая система имеется в ароматических УВ.
С 6 Н 6
Ароматичность
Это понятие, включающее различные свойства ароматических соединений. Условия ароматичности: 1) плоский замкнутый цикл, 2) все атомы С находятся в sp 2 – гибридизации, 3) образуется единая сопряженная система всех атомов цикла, 4) выполняется правило Хюккеля: “В сопряжении участвуют 4n+2 p-электронов, где n = 1, 2, 3... ”
Простейший представитель ароматических УВ – бензол. Он удовлетворяет всем четырем условиям ароматичности.
Правило Хюккеля: 4n+2 = 6, n = 1.
Взаимное влияние атомов в молекуле
В 1861 г русский ученый А.М. Бутлеров высказал положение: «Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга». В настоящее время это влияние передается двумя путями: индуктивным и мезомерным эффектами.
Индуктивный эффект
Это передача электронного влияния по цепи s-связи. Известно, что связь между атомами с различной электроотрицательностью (ЭО) поляризована, т.е. смещена к более ЭО атому. Это приводит к появлению на атомах эффективных (реальных) зарядов (d). Такое электронное смещение наз-ся индуктивным и обозначается буквой I и стрелкой ®.
, X = Наl -, НО -, НS -, NН 2 - и др.
Индуктивный эффект может быть положительным или отрицательным. Если заместитель Х притягивает электроны химической связи сильнее, чем атом Н, то он проявляет – I. I(Н) = О. В нашем примере Х проявляет – I.
Если заместитель Х притягивает электроны связи слабее, чем атом Н, то он проявляет +I. Все алкилы (R = СН 3 -, С 2 Н 5 - и т.д.), Ме n + проявляют +I.
Мезомерный эффект
Мезомерный эффект (эффект сопряжения) – это влияние заместителя, передаваемое по сопряженной системе p-связей. Обозначается буквой М и изогнутой стрелкой. Мезомерный эффект может быть «+» или «–».
Выше было сказано, что имеется два вида сопряжения p, p и р, p.
Заместитель, притягивающий электроны из сопряженной системы, проявляет –М и наз-ся электроноакцептором (ЭА). Это заместители, имеющие двой-
 |
ную связь и др.
Заместитель, отдающий электроны в сопряженную систему, проявляет +М и наз-ся электронодонором (ЭД). Это заместители с одинарными связями, имеющие неподеленную электронную пару (и др.).
Таблица 1 Электронные эффекты заместителей
| Заместители | Ориентанты в С 6 Н 5 -R | I | М |
| Аlk (R-): СН 3 -, С 2 Н 5 -... | Ориентанты I рода: направляют ЭД заместители в орто- и пара- положения | + | |
| – Н 2 , –NНR, –NR 2 | – | + | |
| – Н, – Н, – R | – | + | |
| –Н L | – | + | |
|
ЛЕКЦИЯ 3 Кислотность и основность Для характеристики кислотности и основности органических соединений применяют теорию Бренстеда. Основные положения этой теории: 1) Кислота – это частица, отдающая протон (донор Н +); основание – это частица, принимающая протон (акцептор Н +). 2) Кислотность всегда характеризуется в присутствии оснований и наоборот. А – Н + : В Û А – + В – Н + осн-ие к-та СН 3 СООН + НОН Û СН 3 СОО – + Н 3 О + К-та Осн-ие Сопряженное Сопряженная осн-ие к-та НNО 3 + СН 3 СООH Û СН 3 СООН 2 + + NО 3 - К-та Осн-ие Сопряженная Сопряженное к-та осн-ие Кислоты Бренстеда 3) К-ты Бренстеда делятся на 4 вида в зависимости от кислотного центра: SН к-ты (тиолы), ОН к-ты (спирты, фенолы, карбоновые к-ты), NН к-ты (амины, амиды), СН к-ты (УВ). В этом ряду сверху вниз кислотность уменьшается. 4) Сила к-ты определяется стабильностью образующегося аниона. Чем стабильнее анион, тем сильнее к-та. Стабильность аниона зависит от делокализации (распределения) «-» заряда по всей частице (аниону). Чем больше делокализован «-» заряд, тем стабильнее анион и сильнее к-та. Делокализация заряда зависит: a) от электроотрицательности (ЭО) гетероатома. Чем больше ЭО гетероатома, тем сильнее соответствующая к-та. Например: R – ОН и R – NН 2 Спирты более сильные к-ты, чем амины, т.к. ЭО (О) > ЭО (N). б) от поляризуемости гетероатома. Чем больше поляризуемость гетероатома, тем сильнее соответствующая к-та. Например: R – SН и R – ОН Тиолы более сильные к-ты, чем спирты, т.к. атом S более поляризован, чем атом О. в) от характера заместителя R (длины его, наличие сопряженной системы, делокализации электронной плотности). Например: СН 3 – ОН, СН 3 – СН 2 – ОН, СН 3 – СН 2 – СН 2 – ОН Кислотность <, т.к. увеличивается длина радикала
СН 3 – ОН, С 6 Н 5 – ОН, Сила к-ты увеличивается Фенолы являются более сильными к-тами, чем спирты за счет р, p-сопряжения (+М) группы –ОН.
Кроме того карбоксилат-анион более стабилен, чем анион спирта за счет р,p-сопряжения в карбоксильной группе.
Например: р-Нитрофенол более сильная к-та, чем р-аминофенол, т.к. группа –NО 2 является ЭА. СН 3 –СООН ССl 3 –СООН рК 4,7 рК 0,65 Трихлоруксусная к-та во много раз сильнее СН 3 СООН за счет – I атомов Сl как ЭА. Муравьиная к-та Н–СООН сильнее СН 3 СООН за счет +I группы СН 3 – уксусной к-ты. д) от характера растворителя. Если растворитель является хорошим акцептором протонов Н + , то сила Основания Бренстеда 5) Они делятся на: а) p-основания (соединения с кратными связями); б) n-основания (аммониевые, содержащие атом , оксониевые, содержащие атом , сульфониевые, содержащие атом ) Сила основания определяется стабильностью образующегося катиона. Чем стабильнее катион, тем сильнее основание. Другими словами, сила основания тем больше, чем менее прочная связь с гетероатомом (О, S, N), имеющим свободную электронную пару, атакуемую Н + . Стабильность катиона зависит от тех же факторов, что и стабильность аниона, но с обратным действием. Все факторы, усиливающие кислотность, уменьшают основность. Самыми сильными основаниями являются амины, т.к. атом азота имеет меньшую ЭО по сравнению с О. При этом вторичные амины более сильные основания, чем первичные, третичные амины слабее вторичных за счет стерического фактора, затрудняющего доступ протона к N.
Ароматические амины более слабые основания, чем алифатические, что объясняется +М группы –NН 2 . Электронная пара азота, участвуя в сопряжении, становится малоподвижной. Стабильность сопряженной системы затрудняет присоединение Н + . В мочевине NН 2 –СО– NН 2 присутствует ЭА группа > С = О, которая значительно снижает оснóвные св-ва и мочевина образует соли только с одним эквивалентом к-ты. Т.о., чем сильнее к-та, тем слабее образуемое ею основание и наоборот. Спирты Это производные УВ, у которых один или несколько атомов Н замещены на –ОН группу. Классификация: I. По количеству групп ОН различают одноатомные, двухатомные и многоатомные спирты: СН 3 -СН 2 -ОН Этанол Этиленгликоль Глицерин
II. По характеру R различают: 1) предельные, 2) непредельные, 2) СН 2 = СН-СН 2 -ОН Аллиловый спирт
ретинол (витамин А) и холестерин
витаминоподобное в-во |
При одинаковом кислотном центре сила спиртов, фенолов и карбоновых к-т не одинакова. Например,
Связь О–Н более поляризуется в фенолах. Фенолы могут взаимодействовать даже с солями (FеС1 3) – качественная реакция на фенолы. Карбоновые
г) от введения заместителей в радикал. ЭА заместители увеличивают кислотность, ЭД заместители уменьшают кислотность.
3) К непредельным циклическим спиртам относятся:
ИнозитIII. По положению гр. –ОН различают первичные, вторичные и третичные спирты.
IV. По количеству атомов С различают низкомолекулярные и высокомолекулярные.
СН 3 –(СН 2) 14 –СН 2 –ОН (С 16 Н 33 ОН) СН 3 –(СН 2) 29 –СН 2 ОН (С 31 Н 63 ОН)
Цетиловый спирт Мирициловый спирт
Цетилпальмитат – основа спермацета, мирицилпальмитат содержится в пчелином воске.
Номенклатура:
Тривиальная, рациональная, МН (корень+окончание «ол»+арабская цифра).
Изомерия:
цепи, положения гр. –ОН, оптическая.
Строение молекулы спирта
СН-кислотный Nu центр
Электрофильный Центр Кислотный
центр основности центр
Р-ции окисления
1) Спирты – слабые кислоты.
2) Спирты – слабые основания. Присоединяют Н + лишь от сильных кислот, но они более сильные Nu.
3) –I эффект гр. –ОН увеличивает подвижность Н у соседнего углеродного атома. Углерод приобретает d+ (электрофильный центр, S Е) и становится центром нуклеофильной атаки (Nu). Связь С–О рвется более легко, чем Н–О, поэтому характерными для спиртов явл-ся р-ции S N . Они, как правило, идут в кислой среде, т.к. протонирование атома кислорода увеличивает d+ атома углерода и облегчает разрыв связи. К этому типу относятся р-ции образования эфиров, галогенопроизводных.
4) Смещение элекронной плотности от Н в радикале приводит к появлению СН-кислотного центра. В этом случае идут р-ции окисления и элиминирования (Е).
Физические св-ва
Низшие спирты (С 1 –С 12) – жидкости, высшие – твердые вещ-ва. Многие св-ва спиртов объясняются образованием Н-связи:
Химические св-ва
I. Кислотно-оснóвные
Cпирты – слабые амфотерные соединения.
2R–ОН + 2Nа ® 2R–ОNа + Н 2
Алкоголят
Алкоголяты легко гидролизуются, что показывает – спирты более слабые кислоты, чем вода:
R– ОNа + НОН ® R–ОН + NаОН
Оснóвный центр в спиртах – гетероатом О:
СН 3 -СН 2 -ОН + Н + ® СН 3 -СН 2 - -Н ® СН 3 -СН 2 + + Н 2 ОЕсли р-ция идет с галогеноводородами, то присоединяться будет галогенид-ион: СН 3 -СН 2 + + Сl - ® СН 3 -СН 2 Сl
НС1 RОН R-СООН NН 3 С 6 Н 5 ОNа
С1 - R-О - R-СОО - NН 2 - С 6 Н 5 О -
Анионы в таких р-циях выступают в качестве нуклеофилов (Nu) за счет «-» заряда или неподеленной электронной пары. Анионы являются более сильными основаниями и нуклеофильными реагентами, чем сами спирты. Поэтому на практике для получения простых и сложных эфиров используются –алкоголяты, а не сами спирты. Если нуклеофилом является другая молекула спирта, то она присоединяется к карбокатиону:
|
Это р-ция алкилирования (введение алкила R в молекулу).
Заместить –ОН гр. на галоген можно при действии РСl 3 , РСl 5 и SОСl 2 .
По такому механизму легче реагируют третичные спирты.
Р-цией S Е по отношению к молекуле спирта является р-ция образования сложных эфиров с органическими и минеральными к-тами:
R – О Н + Н О – R – О – + Н 2 О
Сложный эфир
Это р-ция ацилирования – введение ацила в молекулу.
СН 3 -СН 2 -ОН + Н + СН 3 -СН 2 - -Н СН 3 -СН 2 +При избытке Н 2 SО 4 и более высокой температуре, чем в случае р-ции образования простых эфиров, идет регенерация катализатора и образуется алкен:
СН 3 -СН 2 + + НSО 4 - ® СН 2 = СН 2 + Н 2 SО 4
Легче идет р-ция Е для третичных спиртов, труднее для вторичных и первичных, т.к. в последних случаях образуется менее стабильные катионы. В данных р-циях выполняется правило А. Зайцева: «При дегидратации спиртов атом Н отщепляется от соседнего атома С с меньшим содержанием атомов Н».
СН 3 -СН = СН -СН 3
Бутанол-2
В организме гр. –ОН превращается в легкоуходящую путем образования эфиров с Н 3 РО 4:
СН 3 -СН 2 -ОН + НО–РО 3 Н 2 СН 3 -СН 2 -ОРО 3 Н 2IV. Р-ции окисления
1) Первичные и вторичные спирты окисляются СuО, растворами КМnО 4 , К 2 Сr 2 О 7 при нагревании с образованием соответствующих карбонилсодержащих соединений:
Нитроглицерин – бесцветная маслянистая жидкость. В виде разбавленных спиртовых растворов (1%) применяется при стенокардии, т.к. оказывает сосудорасширяющее действие. Нитроглицерин – сильное взрывчатое вещество, способное взрываться от удара или при нагревании. При этом в малом объеме, который занимает жидкое вещество, мгновенно образуется очень большой объем газов, что и вызывает сильную взрывную волну. Нитроглицерин входит в состав динамита, пороха.
Представители пентитов и гекситов – ксилит и сорбит – соответственно, пяти- и шестиатомные спирты с открытой цепью. Накопление –ОН групп ведет к появлению сладкого вкуса. Ксилит и сорбит – заменители сахара для больных диабетом.
Глицерофосфаты – структурные фрагменты фосфолипидов, применяются как общеукрепляющее средство.
Бензиловый спирт
Изомеры положения
Гродно" href="/text/category/grodno/" rel="bookmark">Гродненский государственный медицинский университет», кандидат химических наук, доцент;
Доцент кафедры общей и биоорганической химии Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет», кандидат биологических наук, доцент
Рецензенты:
Кафедра общей и биоорганической химии Учреждения образования «Гомельский государственный медицинский университет»;
– зав. кафедрой биоорганической химии Учреждение образования «Белорусский государственный медицинский университет», кандидат медицинских наук, доцент.
Кафедрой общей и биоорганической химии Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет»
(протокол от 01.01.01 г.)
Центральным научно-методическим советом Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет»
(протокол от 01.01.01 г.)
Секцией по специальности 1Медико-психологическое дело учебно-методического объединения вузов Республики Беларусь по медицинскому образованию
(протокол от 01.01.01 г.)
Ответственный за выпуск:
Первый проректор Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет», профессор, доктор медицинских наук
Пояснительная записка
Актуальность изучения учебной дисциплины
«Биоорганическая химия»
Биоорганическая химия – это фундаментальная естественнонаучная дисциплина. Биоорганическая химия сформировалась как самостоятельная наука во 2-й половине XX века на стыке органической химии и биохимии . Актуальность изучения биоорганической химии обусловлена практическими задачами, стоящими перед медициной и сельским хозяйством (получение, витаминов , гормонов, антибиотиков , стимуляторов роста растений, регуляторов поведения животных и насекомых, других лекарственных средств), решение которых без использования теоретического и практического потенциала биоорганической химии невозможно.
Биоорганическая химия постоянно обогащается новыми методами выделения и очистки природных соединений, способами синтеза природных соединений и их аналогов, знаниями о взаимосвязи структуры и биологической активности соединений и т. д.
Новейшие подходы к медицинскому образованию, связанные с преодолением репродуктивного стиля в обучении, обеспечением познавательной и исследовательской активности студентов, открывают и новые перспективы для реализации потенциала как личности, так и коллектива .
Цель и задачи учебной дисциплины
Цель: формирование уровня химической компетентности в системе медицинского образования, обеспечивающего последующее изучение медико-биологических и клинических дисциплин.
Задачи:
Освоении студентами теоретических основ химических превращений органических молекул во взаимосвязи с их строением и биологической активностью;
Формирование: знаний молекулярных основ процессов жизнедеятельности;
Развития умений ориентироваться в классификации, строении и свойствах органических соединений, выступающих в роли лекарственных средств;
Формирование логики химического мышления;
Развитие умений использовать методы качественного анализа
органических соединений;
Химические знания и навыки, составляющие основу химической компетентности, будут способствовать формированию профессиональной компетенции выпускника.
Требования к освоению учебной дисциплины
Требования к уровню освоения содержания дисциплины «Биоорганическая химия» определены образовательным стандартом высшего образования первой ступени по циклу общих профессиональных и специальных дисциплин, который разработан с учетом требований компетентностного подхода, где указан минимум содержания по дисциплине в виде обобщенных химических знаний и умений, составляющих биоорганическую компетентность выпускника вуза:
а) обобщенные знания:
- понимать сущность предмета как науки и его связи с другими дисциплинами;
Значимость в понимании процессов метаболизма;
Концепцию единства структуры и реакционной способности органических молекул;
Фундаментальные законы химии, необходимые для объяснения процессов, протекающих в живых организмах;
Химические свойства и биологическую значимость основных классов органических соединений.
б) обобщенные умения:
Прогнозировать механизм реакции на основе знаний о строении органических молекул и способов разрыва химических связей;
Объяснять значение реакций для функционирования живых систем;
Использовать полученные знания при изучении биохимии, фармакологии и других дисциплин.
Структура и содержание учебной дисциплины
В данной программе структура содержания дисциплины «биоорганическая химия» состоит из введения в дисциплину и двух разделов, которые охватывают общие вопросы реакционной способности органических молекул, а также свойства гетеро- и полифункциональных соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности. Каждый раздел делится на темы, расположенные в последовательности, обеспечивающей оптимальное изучение и усвоение программного материала. Для каждой темы представлены обобщенные знания и умения, составляющие суть биоорганической компетентности студентов. В соответствии с содержанием каждой темы определены требования к компетенциям (в виде системы обобщенных знаний и умений), для формирования и диагностики которых могут быть разработаны тесты.
Методы обучения
Основными методами обучения, адекватно отвечающими целям изучения данной дисциплины, являются:
Объяснение и консультация;
Лабораторное занятие;
Элементы проблемного обучения (учебно-исследовательская работа студентов);
Введение в биоорганическую химию
Биоорганическая химия как наука, изучающая строение органических веществ и их превращения во взаимосвязи с биологическими функциями. Объекты изучения биоорганической химии. Роль биоорганической химии в формировании научной основы для восприятия биологических и медицинских знаний на современном молекулярном уровне.
Теория строения органических соединений и ее развитие на современном этапе. Изомерия органических соединений как основа многообразия органических соединений. Типы изомерии органических соединений.
Физико-химические методы выделения и исследования органических соединений, имеющие значение для биомедицинского анализа.
Основные правила систематической номенклатуры IUPAC для органических соединений: заместительная и радикально-функциональная номенклатура.
Пространственное строение органических молекул, его связь с типом гибридизации атома углерода (sp3-, sp2- и sp-гибридизация). Стереохимические формулы. Конфигурация и конформация. Конформации открытых цепей (заслоненная, заторможенная, скошенная). Энергетическая характеристика конформаций. Проекционные формулы Ньюмена. Пространственное сближение определенных участков цепи как следствие конформационного равновесия и как одна из причин преимущественного образования пяти - и шестичленных циклов. Конформации циклических соединений (циклогексан, тетрагидропиран). Энергетическая характеристика конформаций кресла и ванны. Аксиальные и экваториальные связи. Связь пространственного строения с биологической активностью.
Требования к компетентности:
· Знать объекты изучения и основные задачи биоорганической химии,
· Уметь классифицировать органические соединения по строению углеродного скелета и по природе функциональных групп, пользоваться правилами систематической химической номенклатуры.
· Знать основные типы изомерии органических соединений, уметь по структурной формуле соединения определять возможные типы изомеров.
· Знать разные типы гибридизации атомных орбиталей углерода, пространственную направленность связей атома, их тип и число в зависимости от типа гибридизации.
· Знать энергетические характеристики конформаций циклических (конформации кресла, ванны) и ациклических (заторможенная, скошенная, заслоненная конформации) молекул, уметь их изображать проекционными формулами Ньюмена.
· Знать виды напряжений (торсионные, угловые, ван-дер-ваальсовые), возникающие в различных молекулах, их влияние на устойчивость конформации и молекулы в целом.
Раздел 1. Реакционная способность органических молекул как результат взаимного влияния атомов, механизмы протекания органических реакций
Тема 1. Сопряженные системы, ароматичность, электронные эффекты заместителей
Сопряженные системы и ароматичность. Сопряжение (p, p - и р, p-сопряжение). Сопряженные системы с открытой цепью: 1,3-диены (бутадиен, изопрен), полиены (каротиноиды, витамин А). Сопряженные системы с замкнутой цепью. Ароматичность: критерии ароматичности, правило ароматичности Хюккеля. Ароматичность бензоидных (бензол, нафталин, фенантрен) соединений. Энергия сопряжения. Строение и причины термодинамической устойчивости карбо - и гетероциклических ароматических соединений. Ароматичность гетероциклических (пиррол, имидазол, пиридин, пиримидин, пурин) соединений. Пиррольный и пиридиновый атомы азота , p-избыточные и p-недостаточные ароматические системы.
Взаимное влияние атомов и способы его передачи в органических молекулах. Делокализация электронов как один из факторов повышения устойчивости молекул и ионов, ее широкая распространенность в биологически важных молекулах (порфин, гем, гемоглобин и др.). Поляризация связей. Электронные эффекты заместителей (индуктивный и мезомерный) как причина неравномерного распределения электронной плотности и возникновения реакционных центров в молекуле. Индуктивный и мезомерный эффекты (положительный и отрицательный), их графическое обозначение в структурных формулах органических соединений. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители.
Требования к компетентности:
· Знать виды сопряжения и уметь определять вид сопряжения по структурной формуле соединения.
· Знать критерии ароматичности, уметь по структурной формуле определять принадлежность к ароматическим соединениям карбо - и гетероциклических молекул.
· Уметь оценивать электронный вклад атомов в создание единой сопряженной системы, знать электронное строение пиридинового и пиррольного атомов азота.
· Знать электронные эффекты заместителей, причины их возникновения и уметь графически изображать их действие.
· Уметь относить заместители к электронодонорным или электроноакцепторным на основании проявляемых ими индуктивного и мезомерного эффектов.
· Уметь прогнозировать влияние заместителей на реакционную способность молекул.
Тема 2. Реакционная способность углеводородов. Реакции радикального замещения, электрофильного присоединения и замещения
Общие закономерности реакционной способности органических соединений как химическая основа их биологического функционирования. Химическая реакция как процесс. Понятия: субстрат, реагент, реакционный центр, переходное состояние, продукт реакции, энергия активации , скорость реакции, механизм.
Классификация органических реакций по результату (присоединения, замещения, элиминирования, окислительно-восстановительные) и по механизму – радикальные, ионные (электрофильные, нуклеофильные), согласованные. Типы реагентов: радикальные, кислотные, основные, электрофильные, нуклеофильные. Гомолитический и гетеролитический разрыв ковалентной связи в органических соединениях и образующиеся при этом частицы: свободные радикалы, карбкатионы и карбанионы. Электронное и пространственное строение этих частиц и факторы, обусловливающие их относительную устойчивость.
Реакционная способность углеводородов. Реакции радикального замещения: гомолитические реакции с участием СН-связей sp3- гибридизированного атома углерода. Механизм радикального замещения на примере реакции галогенирования алканов и циклоалканов. Понятие о цепных процессах. Понятие о региоселективности.
Пути образования свободных радикалов: фотолиз, термолиз, окислительно-восстановительные реакции.
Реакции электрофильного присоединения (AE ) в ряду непредельных углеводородов: гетеролитические реакции с участием p-связи между sp2-гибридизированными атомами углерода. Механизм реакций гидратации и гидрогалогенирования. Кислотный катализ. Правило Марковникова. Влияние статических и динамических факторов на региоселективность реакций электрофильного присоединения. Особенности реакций электрофильного присоединения к диеновым углеводородам и малым циклам (циклопропан, циклобутан).
Реакции электрофильного замещения (SE ): гетеролитические реакции с участием p-электронного облака ароматической системы. Механизм реакций галогенирования, нитрования, алкилирования ароматических соединений: p - и s - комплексы. Роль катализатора (кислоты Льюиса) в образовании электрофильной частицы.
Влияние заместителей в ароматическом ядре на реакционную способность соединений в реакциях электрофильного замещения. Ориентирующее влияние заместителей (ориентанты I и II рода).
Требования к компетентности:
· Знать понятия субстрат, реагент, реакционный центр, продукт реакции, энергия активации, скорость реакции, механизм реакции.
· Знать классификацию реакций по различным признакам (по конечному результату, по способу разрыва связей, по механизму) и типы реагентов (радикальные, электрофильные, нуклеофильные).
· Знать электронное и пространственное строение реагентов и факторы, обусловливающие их относительную устойчивость, уметь сравнивать относительную устойчивость однотипных реагентов.
· Знать способы образования свободных радикалов и механизм реакций радикального замещения (SR) на примерах реакций галогенирования алканов и циклоалаканов.
· Уметь определять статистическую вероятность образования возможных продуктов в реакциях радикального замещения и возможность региоселективного протекания процесса.
· Знать механизм реакций электрофильного присоединения (АЕ) в реакциях галогенирования, гидрогалогенирования и гидратации алкенов, уметь качественно оценивать реакционную способность субстратов, исходя из электронных эффектов заместителей.
· Знать правило Марковникова и уметь определять региоселективность протекания реакций гидратации и гидрогалогенирования исходя из влияния статического и динамического факторов.
· Знать особенности реакций электрофильного присоединения к сопряженным диеновым углеводородам и малым циклам (циклопропан, циклобутан).
· Знать механизм реакций электрофильного замещения (SЕ) в реакциях галогенирования, нитрования, алкилирования, ацилирования ароматических соединений.
· Уметь исходя из электронных эффектов заместителей, определять их влияние на реакционную способность ароматического ядра и их ориентирующее действие.
Тема 3. Кислотно-основные свойства органических соединений
Кислотность и основность органических соединений: теории Бренстеда и Льюиса. Стабильность аниона кислоты – качественный показатель кислотных свойств. Общие закономерности в изменении кислотных или основных свойств во взаимосвязи с природой атомов в кислотном или основном центре, электронными эффектами заместителей при этих центрах. Кислотные свойства органических соединений с водородсодержащими функциональными группами (спирты, фенолы, тиолы, карбоновые кислоты, амины, СН-кислотность молекул и кабркатионов). p-основания и n -основания. Основные свойства нейтральных молекул, содержащих гетероатомы с неподеленными парами электронов (спирты, тиолы, сульфиды, амины) и анионов (гидроксид-, алкоксид-ионы, анионы органических кислот). Кислотно-основные свойства азотсодержащих гетероциклов (пиррол, имидазол, пиридин). Водородная связь как специфическое проявление кислотно-основных свойств.
Сравнительная характеристика кислотных свойств соединений, содержащих гидроксильную группу (одноатомные и многоатомные спирты, фенолы, карбоновые кислоты). Сравнительная характеристика основных свойств алифатических и ароматических аминов. Влияние электронной природы заместителя на кислотно-основные свойства органических молекул.
Требования к компетентности:
· Знать определения кислот и оснований согласно протолитической теории Бренстеда и электронной теории Льюиса.
· Знать классификацию кислот и оснований Бренстеда в зависимости от природы атомов кислотного или основного центров.
· Знать факторы, влияющие на силу кислот и стабильность сопряженных им оснований, уметь проводить сравнительную оценку силы кислот исходя из стабильности соответствующих им анионов.
· Знать факторы, влияющие на силу оснований Бренстеда, уметь проводить сравнительную оценку силы оснований с учетом этих факторов.
· Знать причины возникновения водородной связи, уметь трактоватьобразование водородной связи как специфическое проявление кислотно-основных свойств вещества.
· Знать причины возникновения кето-енольной таутомерии в органических молекулах, уметь объяснять их с позиции кислотно-основных свойств соединений во взаимосвязи с их биологической активностью.
· Знать и уметь проводить качественные реакции, позволяющие отличать многоатомные спирты, фенолы, тиолы.
Тема 4. Реакции нуклеофильного замещения у тетрагонального атома углерода и конкурентные им реакции элиминирования
Реакции нуклеофильного замещения у sp3-гибридизированного атома углерода: гетеролитические реакции, обусловленные поляризацией связи углерод-гетероатом (галогенопроизводные, спирты). Легко и трудно уходящие группы: связь легкости ухода группы с ее строением. Влияние растворителя, электронных и пространственных факторов на реакционную способность соединений в реакциях моно - и бимолекулярного нуклеофильного замещения (SN1 и SN2). Стереохимия реакций нуклеофильного замещения.
Реакции гидролиза галогенопроизводных. Реакции алкилирования спиртов, фенолов, тиолов, сульфидов, аммиака , аминов. Роль кислотного катализа в нуклеофильном замещении гидроксильной группы. Галогенопроизводные, спирты, эфиры серной и фосфорной кислот как алкилирующие реагенты. Биологическая роль реакций алкилирования.
Реакции моно - и бимолекулярного элиминирования (Е1 и Е2): (дегидратация, дегидрогалогенирование). Повышенная СН-кислотность как причина реакций элиминирования, сопровождающих нуклеофильное замещение у sp3- гибридизированного атома углерода.
Требования к компетентности:
· Знать факторы, определяющие нуклеофильность реагентов, строение важнейших нуклеофильных частиц.
· Знать общие закономерности реакций нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода, влияние статического и динамического факторов на реакционную способность вещества в реакции нуклеофильного замещения.
· Знать механизмы моно - и бимолекулярного нуклеофильного замещения, уметь оценивать влияние стерических факторов, влияние растворителей, влияние статического и динамического факторов на протекание реакции по одному из механизмов.
· Знать механизмы моно - и бимолекулярного элиминирования, причины конкуренции между реакциями нуклеофильного замещения и элиминирования.
· Знать правило Зайцева и уметь определять главный продукт в реакциях дигидратации и дегидрогалогенирования несимметричных спиртов и галогеналканов.
Тема 5. Реакции нуклеофильного присоединения и замещения у тригонального атома углерода
Реакции нуклеофильного присоединения: гетеролитические реакции с участием p-связи углерод-кислород (альдегиды, кетоны). Механизм реакций взаимодействия карбонильных соединений с нуклеофильными реагентами (водой, спиртами, тиолами, аминами). Влияние электронных и пространственных факторов, роль кислотного катализа, обратимость реакций нуклеофильного присоединения. Полуацетали и ацетали, их получение и гидролиз. Биологическая роль реакций ацетализации. Реакции альдольного присоединения. Основной катализ. Строение енолят - иона.
Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот. Электронное и пространственное строение карбоксильной группы. Реакции нуклеофильного замещения у sp2-гибридизированного атома углерода (карбоновые кислоты и их функциональные производные). Ацилирующие агенты (галогенангидриды, ангидриды, карбоновые кислоты, сложные эфиры, амиды), сравнительная характеристика их реакционной способности. Реакции ацилирования – образования ангидридов, сложных эфиров, тиоэфиров, амидов – и обратные им реакции гидролиза. Ацетилкофермент А – природный макроэргический ацилирующий агент. Биологическая роль реакций ацилирования. Понятие о нуклеофильном замещении у атомов фосфора, реакции фосфорилирования.
Реакции окисления и восстановления органических соединений. Специфика окислительно-восстановительных реакций органических соединений. Понятие об одноэлектронном переносе, переносе гидрид-иона и действии системы НАД+ ↔ НАДН. Реакции окисления спиртов, фенолов, сульфидов, карбонильных соединений, аминов, тиолов. Реакции восстановления карбонильных соединений, дисульфидов. Роль окислительно-восстановительных реакций в процессах жизнедеятельности.
Требования к компетентности:
· Знать электронное и пространственное строение карбонильной группы, влияние электронных и стерических факторов на реакционную способность оксо-группы в альдегидах и кетонах.
· Знать механизм реакций нуклеофильного присоединения воды, спиртов, аминов, тиолов к альдегидам и кетонам, роль катализатора.
· Знать механизм реакций альдольной конденсации, факторы, определяющие участие соедения в этой реакции.
· Знать механизм реакций восстановления оксосоединений гидридами металлов.
· Знать реакционные центры, имеющиеся в молекулах карбоновых кислот. Уметь проводить сравнительную оценку силы карбоновых кислот в зависимости от строения радикала.
· Знать электронное и пространственное строение карбоксильной группы, уметь проводить сравнительную оценку способности атома углерода оксо-группы в карбоновых кислотах и их функциональных производных (галогенангидриды, ангидриды, сложные эфиры, амиды, соли) подвергаться нуклеофильной атаке.
· Знать механизм реакций нуклефильного замещения на примерах реакций ацилирования, этерификации, гидролиза сложных эфиров, ангидридов, галогенангидридов, амидов.
Тема 6. Липиды, классификация, строение, свойства
Липиды омыляемые и неомыляемые. Нейтральные липиды. Естественные жиры как смесь триацилглицеринов. Основные природные высшие жирные кислоты, входящие в состав липидов: пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая. Арахидоновая кислота. Особенности ненасыщенных жирных кислот, w-номенклатура.
Пероксидное окисление фрагментов ненасыщенных жирных кислот в клеточных мембранах. Роль пероксидного окисления липидов мембран в действии малых доз радиации на организм. Системы антиоксидантной защиты.
Фосфолипиды. Фосфатидные кислоты. Фосфатидилколамины и фосфатидилсерины (кефалины), фосфатидилхолины (лецитины) – структурные компоненты клеточных мембран. Липидный бислой. Сфинголипиды, церамиды, сфингомиелины. Гликолипиды мозга (цереброзиды, ганглиозиды).
Требования к компетентности:
· Знать классификацию липидов, их строение.
· Знать строение структурных компонентов омыляемых липидов – спиртов и высших жирных кислот.
· Знать механизм реакций образования и гидролиза простых и сложных липидов.
· Знать и уметь проводить качественные реакции на непредельные жирные кислоты и масла.
· Знать классификацию неомыляемых липидов, иметь представления о принципах классификации терпенов и стероидов, их биологической роли.
· Знать биологическую роль липидов, их основные функции, иметь представления об основных этапах перекисного окисления липидов и последствиях этого процесса для клетки.
Раздел 2. Стереоизомерия органических молекул. Поли - и гетерофункциональные соединения, участвующие в процессах жизнедеятельности
Тема 7. Стереоизомерия органических молекул
Стереоизомерия в ряду соединений с двойной связью (p-диастереомерия). Цис - и транс-изомерия непредельных соединений. Е, Z – система обозначений p-диастереомеров. Сравнительная устойчивость p-диастереомеров.
Хиральные молекулы. Ассиметрический атом углерода как центр хиральности. Стереоизомерия молекул с одним центром хиральности (энантиомерия). Оптическая активность. Проекционные формулы Фишера. Глицериновый альдегид как конфигурационный стандарт, абсолютная и относительная конфигурация. D, L-система стереохимической номенклатуры. R, S-система стереохимиеской номенклатуры. Рацемические смеси и способы их разделения.
Стереоизомерия молекул с двумя и более центрами хиральности. Энантиомеры, диастереомеры, мезоформы.
Требования к компетентности:
· Знать причины возникновения стереоизомерии в ряду алкенов и диеновых углеводородов.
· Уметь по сокращенной структурной формуле непредельного соединения определять возможность существования p-диастереомеров, различать цис - транс –изомеры, оценивать их сравнительную устойчивость.
· Знать элементы симметрии молекул, необходимые условия для возникновения хиральности у органической молекулы.
· Знать и уметь изображать энантиомеры с помощью проекционных формул Фишера, высчитывать число ожидаемых стереоизомеров исходя из числа хиральных центров в молекуле, принципы определения абсолютной и относительной конфигурации, D - , L-систему стереохимической номенклатуры.
· Знать способы разделения рацематов, основные принципы R, S-системы стереохимической номенклатуры.
Тема 8. Физиологически активные поли - и гетерофункциональные соединения алифатического, ароматического и гетероциклического рядов
Поли - и гетерофункциональность как один из характерных признаков органических соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности и являющихся родоначальниками важнейших групп лекарственных средств. Особенности во взаимном влиянии функциональных групп в зависимости от их относительного расположения.
Многоатомные спирты: этиленгликоль, глицерин. Сложные эфиры многоатомных спиртов с неорганическими кислотами (нитроглицерин, фосфаты глицерина). Двухатомные фенолы: гидрохинон. Окисление двухатомных фенолов. Система гидрохинон-хинон. Фенолы как антиоксиданты (ловушки свободных радикалов). Токоферолы.
Двухосновные карбоновые кислоты: щавелевая, малоновая, янтарная, глутаровая, фумаровая. Превращение янтарной кислоты в фумаровую как пример биологически важной реакции дегидрирования. Реакции декарбоксилирования, их биологическая роль.
Аминоспирты: аминоэтанол (коламин), холин, ацетилхолин. Роль ацетилхолина в химической передаче нервного импульса в синапсах. Аминофенолы: дофамин, норадреналин, адреналин . Понятие о биологической роли этих соединений и их производных. Нейротоксическое действие 6-гидроксидофамина и амфетаминов.
Гидрокси- и аминокислоты. Реакции циклизации: влияние различных факторов на процесс образования циклов (реализация соответствующих конформаций, размер образующегося цикла, энтропийный фактор). Лактоны. Лактамы. Гидролиз лактонов и лактамов. Реакция элиминирования b-гидрокси и аминокислот.
Альдегидо - и кетокислоты: пировиноградная, ацетоуксусная, щавелевоуксусная, a-кетоглутаровая. Кислотные свойства и реакционная способность. Реакции декарбоксилирования b-кетокислот и окислительного декарбоксилирования a-кетокислот. Ацетоуксусный эфир, кето-енольная таутомерия. Представители «кетоновых тел» - b-гидроксимасляная, b-кетомасляная кислоты, ацетон , их биологическое и диагностическое значение.
Гетерофункциональные производные бензольного ряда как лекарственные средства. Салициловая кислота и ее производные (ацетилсалициловая кислота).
Пара-аминобензойная кислота и ее производные (анестезин, новокаин). Биологическая роль п-аминобензойной кислоты. Сульфаниловая кислота и ее амид (стрептоцид).
Гетероциклы с несколькими гетероатомами. Пиразол, имидазол, пиримидин, пурин. Пиразолон-5 – основа ненаркотических анальгетиков. Барбитуровая кислота и ее производные. Гидроксипурины (гипоксантин, ксантин, мочевая кислота), их биологическая роль. Гетероциклы с одним гетероатомом. Пиррол, индол, пиридин. Биологически важные производные пиридина – никотинамид, пиридоксаль, производные изоникотиновой кислоты. Никотинамид – структурный компонент кофермента НАД+, обуславливающий его участие в ОВР.
Требования к компетентности:
· Уметь классифицировать гетерофункциональные соединения по составу и по их взаимному расположению.
· Знать специфические реакции амино- и гидроксикислот с a, b, g - расположением функциональных групп.
· Знать реакции, ведущие к образованию биологически активных соединений: холина, ацетилхолина, адреналина.
· Знать роль кето-енольной таутомерии в проявлении биологической активности кетокислот (пировиноградной, щавелевоуксусной, ацетоуксусной) и гетероциклических соединений (пиразола, барбитуровой кислоты, пурина).
· Знать способы окислительно-восстановительных превращений органических соединений, биологическую роль окислительно-восстановительных реакций в проявлении биологической активности двухатомных фенолов, никотинамида, образовании кетоновых тел.
Тема 9 . Углеводы, классификация, строение, свойства, биологическая роль
Углеводы, их классификация по отношению к гидролизу. Классификация моносахаридов. Альдозы, кетозы: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Стереоизомерия моносахаридов. D - и L-ряды стереохимической номенклатуры. Открытые и циклические формы. Формулы Фишера и формулы Хеуорса. Фуранозы и пиранозы, a - и b-аномеры. Цикло-оксо-таутомерия. Конформации пиранозных форм моносахаридов. Строение наиболее важных представителей пентоз (рибоза, ксилоза); гексоз (глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза); дезоксисахаров (2-дезоксирибоза); аминосахаров (глюкозамин, маннозамин, галактозамин).
Химические свойства моносахаридов. Реакции нуклеофильного замещения с участием аномерного центра. О - и N-гликозиды. Гидролиз гликозидов. Фосфаты моносахаридов. Окисление и восстановление моносахаридов. Восстановительные свойства альдоз. Гликоновые, гликаровые, гликуроновые кислоты.
Олигосахариды. Дисахариды: мальтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Строение, цикло-оксо-таутомерия. Гидролиз.
Полисахариды. Общая характеристика и классификация полисахаридов. Гомо - и гетерополисахариды. Гомополисахариды: крахмал, гликоген, декстраны, целлюлоза. Первичная структура, гидролиз. Понятие о вторичной структуре (крахмал, целлюлоза).
Требования к компетентности:
· Знать классификацию моносахаридов (по числу атомом углерода, по составу функциональных групп), строение открытых и циклических форм (фуранозы, пиранозы) важнейших моносахаридов, их отношение D - и L - рядам стереохимической номенклатуры, уметь определять число возможных диастереомеров, относить стереоизомеры к диастереомерам, эпимерам, аномерам.
· Знать механизм реакций циклмизации моносахаридов, причины мутаротации растворов моносахаридов.
· Знать химические свойства моносахаридов: окислительно-восстановительные реакции, реакции образования и гидролиза О - и N-гликозидов, реакции этерификации, фосфорилирования.
· Уметь проводить качественные реакции на диольный фрагмент и наличие восстанавливающих свойств моносахаридов.
· Знать классификацию дисахаридов и их строение, конфигурацию аномерного атома углерода, образующего гликозидную связь, таутомерные превращения дисахаридов, их химические свойства, биологическую роль.
· Знать классификацию полисахаридов (по отношению к гидролизу, по моносахаридному составу), строение важнейших представителей гомополисахаридов, конфигурацию аномерного атома углерода, образующего гликозидную связь, их физические ихимические свойства, биологическую роль. Иметь представления о биологической роли гетерополисахаридов.
Тема 10. a -Аминокислоты, пептиды, белки. Строение, свойства, биологическая роль
Строение, номенклатура, классификация a-аминокислот, входящих в состав белков и пептидов. Стереоизомерия a-аминокислот.
Биосинтетические пути образования a-аминокислот из оксокислот: реакции восстановительного аминирования и реакции переаминирования. Незаменимые аминокислоты.
Химические свойства a-аминокислот как гетерофункциональных соединений. Кислотно-основные свойства a-аминокислот. Изоэлектрическая точка, методы разделения a-аминокислот. Образование внутрикомплексных солей. Реакции этерификации, ацилирования, алкилирования. Взаимодействие с азотистой кислотой и формальдегидом, значение этих реакций для анализа аминокислот.
g-Аминомасляная кислота – тормозной медиатор ЦНС. Антидепрессивное действие L-триптофана, серотонин – как нейромедиатор сна. Медиаторные свойства глицина, гистамина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Биологически важные реакции a-аминокислот. Реакции дезаминирования и гидроксилирования. Декарбоксилирование a-аминокислот – путь к образованию биогенных аминов и биорегуляторов (коламин, гистамин, триптамин, серотонин.) Пептиды. Электронное строение пептидной связи. Кислотный и щелочной гидролиз пептидов. Установление аминокислотного состава с помощью современных физико-химических методов (методы Сенгера и Эдмана). Понятие о нейропептидах.
Первичная структура белков. Частичный и полный гидролиз. Понятие о вторичной, третичной и четвертичной структурах.
Требования к компетентности:
· Знать строение, стереохимическую классификацию a-аминокислот, принадлежность к D - и L-стереохимическим рядам природных аминокислот, незаменимые аминокислоты.
· Знать пути синтеза a-аминокислот in vivo и in vitro, знать кислотно-основные свойства и способы перевода a-аминокислот в изоэлектрическое состояние.
· Знать химические свойства a-аминокислот (реакции по амино - и карбоксильной группам), уметь проводить качественные реакции (ксантопротеиновую, с Сu(ОН)2, нингидрином).
· Знать электронное строение пептидной связи, первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру белков и петидов, знать способы определения аминокислотного состава и аминокислотной последовательности (метод Сенгера, метод Эдмана), уметь проводить биуретовую реакцию на пептиды и белки.
· Знать принцип метода синтеза пептидов с использованием защиты и активации функциональных групп.
Тема 11. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот. Пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания, их ароматичность, таутомерные превращения.
Нуклеозиды, реакции их образования. Характер связи нуклеинового основания с углеводным остатком; конфигурация гликозидного центра. Гидролиз нуклеозидов.
Нуклеотиды. Строение мононуклеотидов, образующих нуклеиновые кислоты. Номенклатура. Гидролиз нуклеотидов.
Первичная структура нуклеиновых кислот. Фосфодиэфирная связь. Рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты. Нуклеотидный состав РНК и ДНК. Гидролиз нуклеиновых кислот.
Понятие о вторичной структуре ДНК. Роль водородных связей в формировании вторичной структуры. Комплементарность нуклеиновых оснований.
Лекарственные средства на основе модифицированных нуклеиновых оснований (5-фторурацил, 6-меркаптопурин). Принцип химического подобия. Изменение структуры нуклеиновых кислот под действием химических веществ и радиации. Мутагенное действие азотистой кислоты.
Нуклеозидполифосфаты (АДФ, АТФ), особенности их строения, позволяющие выполнять функции макроэргических соединений и внутриклеточных биорегуляторов. Строение цАМФ – внутриклеточного «посредника» гормонов.
Требования к компетентности:
· Знать строение пиримидиновых и пуриновых азотистых оснований, их таутомерные превращения.
· Знать механизм реакций образования N-гликозидов (нуклеозидов) и их гидролиза, номенклатуру нуклеозидов.
· Знать принципиальные сходство и различия природных и синтетических нуклеозидов-антибиотиков в сравнении с нуклеозидами, входящимив состав ДНК и РНК.
· Знать реакции образования нуклеотидов, строение мононуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, их номенклатуру.
· Знать строение цикло - и полифосфатов нуклеозидов, их биологическую роль.
· Знать нуклетидный состав ДНК и РНК, роль фосфодиэфирной связи в создании первичной структуры нуклеиновых кислот.
· Знать роль водородных связей в формировании вторичной структуры ДНК, комплементарность азотистых оснований, роль комплементарных взаимодействий в осуществлении биологической функции ДНК.
· Знать факторы, вызывающие возникновения мутаций, и принцип их действия.
Информационная часть
Список литературы
Основная:
1. Романовский, биоорганической химии: учебное пособие в 2-х частях / . - Минск: БГМУ, 20с.
2. Романовский, к практикуму по биоорганической химии: учебное пособие / под редакцией. – Минск: БГМУ, 1999. – 132 с.
3. Тюкавкина, Н. А., Биоорганическая химия: учебник / , . – Москва: Медицина, 1991. – 528 с.
Дополнительная:
4. Овчинников, химия: монография / .
– Москва: Просвещение, 1987. – 815 с.
5. Потапов, : учебное пособие / . - Москва:
Химия, 1988. – 464 с.
6. Райлс, А. Основы органической химии: учебное пособие / А. Райс, К. Смит,
Р. Уорд. – Москва: Мир, 1989. – 352 с.
7. Тейлор, Г. Основы органической химии: учебное пособие / Г. Тейлор. -
Москва: Мирс.
8. Терней, А. Современная органическая химия: учебное пособие в 2-х томах /
А. Терней. – Москва: Мир, 1981. – 1310 с.
9. Тюкавкина, к лабораторным занятиям по биоорганической
химии: учебное пособие / [и др.]; под редакцией Н. А.
Тюкавкиной. – Москва: Медицина, 1985. – 256 с.
10. Тюкавкина, Н. А., Биоорганическая химия: Учебник для студентов
медицинских институтов / , . – Москва.
, антибиотики , феромоны , сигнальные вещества , биологически активные вещества растительного происхождения, а также синтетические регуляторы биологических процессов (лекарственные препараты , пестициды и др.). Как самостоятельная наука сформировалась во второй половине XX века на стыке биохимии и органической химии и связана с практическими задачами медицины , сельского хозяйства , химической , пищевой и микробиологической промышленности.
Методы
Основной арсенал составляют методы органической химии, для решения структурно-функциональных задач привлекаются разнообразные физические, физико-химические , математические и биологические методы.
Объекты изучения
- Биополимеры смешанного типа
- Природные сигнальные вещества
- Биологически активные вещества растительного происхождения
- Синтетические регуляторы (лекарственные препараты , пестициды и т. п.).
Источники
- Овчинников Ю. А. . - М .: Просвещение, 1987. - 815 с.
- Бендер М., Бергерон Р., Комияма М.
- Дюга Г., Пенни К. Биоорганическая химия. - М.: Мир, 1983.
- Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И.
См. также
Напишите отзыв о статье "Биоорганическая химия"
Отрывок, характеризующий Биоорганическая химия
– Ma chere, il y a un temps pour tout, [Милая, на все есть время,] – сказала графиня, притворяясь строгою. – Ты ее все балуешь, Elie, – прибавила она мужу.– Bonjour, ma chere, je vous felicite, [Здравствуйте, моя милая, поздравляю вас,] – сказала гостья. – Quelle delicuse enfant! [Какое прелестное дитя!] – прибавила она, обращаясь к матери.
Черноглазая, с большим ртом, некрасивая, но живая девочка, с своими детскими открытыми плечиками, которые, сжимаясь, двигались в своем корсаже от быстрого бега, с своими сбившимися назад черными кудрями, тоненькими оголенными руками и маленькими ножками в кружевных панталончиках и открытых башмачках, была в том милом возрасте, когда девочка уже не ребенок, а ребенок еще не девушка. Вывернувшись от отца, она подбежала к матери и, не обращая никакого внимания на ее строгое замечание, спрятала свое раскрасневшееся лицо в кружевах материной мантильи и засмеялась. Она смеялась чему то, толкуя отрывисто про куклу, которую вынула из под юбочки.
– Видите?… Кукла… Мими… Видите.
И Наташа не могла больше говорить (ей всё смешно казалось). Она упала на мать и расхохоталась так громко и звонко, что все, даже чопорная гостья, против воли засмеялись.
– Ну, поди, поди с своим уродом! – сказала мать, притворно сердито отталкивая дочь. – Это моя меньшая, – обратилась она к гостье.
Наташа, оторвав на минуту лицо от кружевной косынки матери, взглянула на нее снизу сквозь слезы смеха и опять спрятала лицо.
Гостья, принужденная любоваться семейною сценой, сочла нужным принять в ней какое нибудь участие.
– Скажите, моя милая, – сказала она, обращаясь к Наташе, – как же вам приходится эта Мими? Дочь, верно?
Наташе не понравился тон снисхождения до детского разговора, с которым гостья обратилась к ней. Она ничего не ответила и серьезно посмотрела на гостью.
Между тем всё это молодое поколение: Борис – офицер, сын княгини Анны Михайловны, Николай – студент, старший сын графа, Соня – пятнадцатилетняя племянница графа, и маленький Петруша – меньшой сын, все разместились в гостиной и, видимо, старались удержать в границах приличия оживление и веселость, которыми еще дышала каждая их черта. Видно было, что там, в задних комнатах, откуда они все так стремительно прибежали, у них были разговоры веселее, чем здесь о городских сплетнях, погоде и comtesse Apraksine. [о графине Апраксиной.] Изредка они взглядывали друг на друга и едва удерживались от смеха.
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя в основном методы органической и физической химии, а также физики и математики. Биоорганическая химия полностью охватывает химию природных соединений и частично пересекается с биохимией и молекулярной биологией. Объектами её изучения служат биологически важные природные соединения - главным образом биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и смешанные биополимеры) и низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, антибиотики, токсины и так далее, а также синтетические аналоги природных соединений, лекарственные препараты, пестициды и др.
Биоорганическая химия сформировалась как самостоятельная область во 2-й половине 20 века на стыке биохимии и органической химии на основе традиционной химии природных соединений. Её становление связано с именами Л. Полинга (открытие α-спирали и β-структуры как главных элементов пространственной структуры полипептидной цепи в белках), А. Тодда (выяснение химического строения нуклеотидов и первый синтез динуклеотида), Ф. Сенгера (разработка метода определения аминокислотной последовательности в белках и расшифровка с его помощью первичной структуры инсулина), В. Дю Виньо (выделение, установление структуры и химический синтез пептидных гормонов - окситоцина и вазопрессина), Д. Бартона и В. Прелога (конформационный анализ), Р. Вудворда (полный химический синтез многих сложных природных соединений, в том числе резерпина, хлорофилла, витамина В 12) и др.; в СССР огромную роль сыграли работы Н. Д. Зелинского, А. Н. Белозерского, И. Н. Назарова, Н. А. Преображенского и др. Инициатором исследований по биоорганической химии в СССР в начале 1960-х годов явился М. М. Шемякин. Им, в частности, были начаты работы (впоследствии получившие широкое развитие) по изучению циклических депсипептидов, выполняющих функцию ионофоров. Лидером отечественной биоорганической химии в 1970-80-х годах стал Ю.А. Овчинников, под руководством которого было установлено строение десятков белков, в том числе мембранных (впервые) - бактериородопсина и зрительного родопсина быка.
К основным направлениям биоорганической химии относятся:
1. Разработка методов выделения и очистки природных соединений. При этом для контроля за степенью очистки часто используют специфическую биологическую функцию изучаемого вещества (например, чистоту антибиотика контролируют по его антимикробной активности, гормона - по его влиянию на определённый биологический процесс и так далее). При разделении сложных природных смесей часто применяют методы высокоэффективной жидкостной хроматографии и электрофореза. С конца 20 века вместо поиска и выделения отдельных компонентов проводят тотальный скрининг биологических образцов на максимально возможное число компонентов того или иного класса соединений (смотри Протеомика).
2. Определение структуры изучаемых веществ. Под структурой понимают не только установление природы и порядок связи атомов в молекуле, но и их пространственное расположение. Для этого используют различные методы, в первую очередь химические (гидролиз, окислительное расщепление, обработка специфическими реагентами), позволяющие получать более простые вещества с известной структурой, по которым реконструируют структуру исходного вещества. Широко применяют автоматические устройства, обеспечивающие быстрое решение стандартных задач, особенно в химии белков и нуклеиновых кислот: анализаторы для количественного определения аминокислотного и нуклеотидного состава и секвенаторы для выяснения последовательности аминокислотных остатков в белках и нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Важную роль при изучении структуры биополимеров играют ферменты, особенно те, которые специфически расщепляют их по строго определённым связям (например, протеиназы, катализирующие реакции расщепления пептидных связей по остаткам глутаминовой кислоты, пролина, аргинина и лизина, или рестриктазы, специфически расщепляющие фосфодиэфирные связи в полинуклеотидах). Сведения о строении природных соединений получают также с помощью физических методов исследования - главным образом масс-спектрометрии, ядерного магнитного резонанса и оптической спектроскопии. Повышение эффективности химических и физических методов достигается благодаря одновременному анализу не только природных соединений, но и их производных, содержащих характерные, специально вводимые группировки и меченые атомы (например, путём выращивания бактерий - продуцентов того или иного соединения на среде, содержащей предшественников этого соединения, обогащённых стабильными или радиоактивными изотопами). Достоверность данных, получаемых при изучении сложных белков, значительно повышается при одновременном исследовании строения соответствующих генов. Пространственную структуру молекул и их аналогов в кристаллическом состоянии исследуют методом рентгеноструктурного анализа. Разрешение в ряде случаев достигает значений менее 0,1 нм. Для растворов наиболее информативен метод ЯМР в сочетании с теоретическим конформационным анализом. Добавочную информацию дают оптические спектральные методы анализа (электронные и флуоресцентные спектры, спектры кругового дихроизма и др.).
3. Синтез как самих природных соединений, так и их аналогов. Во многих случаях химический или химико-ферментативный синтез является единственным способом получения нужного вещества в больших (препаративных) количествах. Для относительно простых низкомолекулярных соединений встречный синтез служит важным критерием правильности ранее определённой структуры. Созданы автоматические синтезаторы белков и полинуклеотидов, позволяющие значительно сокращать время синтеза; с их помощью синтезирован ряд белков и полинуклеотидов, содержащих несколько сотен мономерных звеньев. Химический синтез - основной способ получения лекарственных препаратов неприродного происхождения. В случае природных веществ он часто дополняет биосинтез или конкурирует с ним.
4. Установление клеточной и молекулярной мишени, на которую направлено действие биологически активного вещества, выяснение химического механизма его взаимодействия с живой клеткой и её компонентами. Понимание молекулярного механизма действия необходимо для продуктивного использования биомолекул, с их зачастую чрезвычайно высокой активностью (например, токсинов), в качестве инструментов исследования биологических систем; оно служит основой для направленного синтеза новых, практически важных веществ с заранее заданными свойствами. В ряде случаев (например, при изучении пептидов, влияющих на деятельность нервной системы) получаемые таким образом вещества обладают многократно усиленной, по сравнению с исходным природным прототипом, изменённой в нужном направлении активностью.
Биоорганическая химия тесно связана с решением практических задач медицины и сельского хозяйства (получение витаминов, гормонов, антибиотиков и других лекарственных средств, стимуляторов роста растений, регуляторов поведения животных, в том числе насекомых), химической, пищевой и микробиологической промышленности. В результате сочетания методов биоорганической химии и генетической инженерии стало возможным практическое решение проблемы промышленного получения сложных, биологически важных веществ белково-пептидной природы, включая такие высокомолекулярные, как инсулин человека, α-, β- и γ-интерфероны, гормон роста человека.
Лит.: Дюга Г., Пенни К. Биоорганическая химия. М., 1983; Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. М., 1996.