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

Хлорэтен

СН 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

Бензол

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 При одинаковом кислотном центре сила спиртов, фенолов и карбоновых к-т не одинакова. Например, 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. Связь О–Н более поляризуется в фенолах. Фенолы могут взаимодействовать даже с солями (FеС1 3) – качественная реакция на фенолы. Карбоновые к-ты по сравнению со спиртами, содержащими одинаковый R, являются более сильными к-тами, т.к. связь О–Н значительно поляризована за счет –М эффекта группы > С = О: Кроме того карбоксилат-анион более стабилен, чем анион спирта за счет р,p-сопряжения в карбоксильной группе. г) от введения заместителей в радикал. ЭА заместители увеличивают кислотность, ЭД заместители уменьшают кислотность. 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 к-ты увеличивается и наоборот. 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, 3) циклические, 4) ароматические. 2) СН 2 = СН-СН 2 -ОН Аллиловый спирт 3) К непредельным циклическим спиртам относятся: ретинол (витамин А) и холестерин Инозит витаминоподобное в-во

III. 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 О

Если 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:

Простой эфир

СН 3 -СН 2 + + ® СН 3 -СН 2 + - - Н СН 3 -СН 2 -О-R

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 2

IV. 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:

3)

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

Биоорганическая химия - это фундаментальная наука, которая изучает строение и биологические функции важнейших компонентов живой материи, в первую очередь, биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов, уделяя главное внимание выяснению закономерностей взаимосвязи между структурой соединений и их биологическим действием .

Биоорганическая химия - наука на стыке химии и биологии , она способствует раскрытию принципов функционирования живых систем. Биоорганическая химия имеет выраженную практическую направленность, являясь теоретической основой получения новых ценных соединений для медицины , сельского хозяйства, химической, пищевой и микробиологической промышленности. Круг интересов биоорганической химии необычайно широк - это и мир веществ, выделяемых из живой природы и играющих важную роль в жизнедеятельности, и мир искусственно получаемых органических соединений, обладающих биологической активностью. Биоорганическая химия охватывает химию всех веществ живой клетки, десятки и сотни тысяч соединений.

Объекты изучения, методы исследования и основные задачи биоорганической химии

Объектами изучения биоорганической химии являются белки и пептиды, углеводы , липиды , биополимеры смешанного типа - гликопротеины, нуклеопротеины, липопротеины, гликолипиды и т.п., алкалоиды, терпеноиды, витамины, антибиотики, гормоны, простогландины, феромоны, токсины, а также синтетические регуляторы биологических процессов: лекарственные препараты, пестициды и др.

Основной арсенал методов исследования биоорганической химии составляют методы ; для решения структурных задач используют физические, физико-химические, математические и биологические методы.

Основными задачами биоорганической химии являются:

• Выделение в индивидуальном состоянии и очистка изучаемых соединений с помощью кристаллизации, перегонки, различных видов хроматографии, электрофореза, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования и др. При этом зачастую используют специфические биологические функции изучаемого вещества (например, контроль чистоты антибиотика ведется по его антимикробной активности, гормона - по его влиянию на определенный физиологический процесс и т.д.);
• Установление структуры, включая пространственное строение, на основе подходов органической химии (гидролиз, окислительное расщепление, расщепление по специфическим фрагментам, например, по остаткам метионина при установлении строения пептидов и белков, расщепление по 1,2-диольным группировкам углеводов и др.) и физико-химической химии с применением масс-спектрометрии, различных видов оптической спектроскопии (ИК, УФ, лазерной и др.), рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, методов быстрой кинетики и др. в сочетании с расчетами на ЭВМ. Для быстрого решения стандартных задач, связанных с установлением структуры ряда биополимеров, созданы и находят широкое применение автоматические устройства, принцип действия которых основан на стандартных реакциях и свойствах природных и биологически активных соединений. Это анализаторы для определения количественного аминокислотного состава пептидов, секвенаторы для подтверждения либо установления последовательности аминокислотных остатков в пептидах и нуклеотидной последовательности в нуклеиновых кислотах и др. Важное значение при изучении строения сложных биополимеров имеет использование ферментов , специфично расщепляющих изучаемые соединения по строго определенным связям. Такие ферменты используются при изучении строения белков (трипсин, протеиназы, расщепляющие пептидные связи по остаткам глутаминовой кислоты, пролина и другим аминокислотным остаткам), нуклеиновых кислот и полинуклеотидов (нуклеазы, рестриктазы), углеводсодержащих полимеров (гликозидазы, в т.ч. специфические - галактозидазы, глюкуронидазы и т.д.). Для повышения результативности исследований анализу подвергают не только природные соединения, но и их производные, содержащие характерные, специально вводимые группировки и меченые атомы. Такие производные получают, например, путем выращивания продуцента на среде, содержащей меченые аминокислоты или другие радиоактивные предшественники, в состав которых входят тритий, радиоактивный углерод или фосфор. Достоверность данных, получаемых при изучении сложных белков, значительно повышается, если это изучение проводят в комплексе с исследованием строения соответствующих генов.
• Химический синтез и химическая модификация изучаемых соединений, включая полный синтез, синтез аналогов и производных. Для низкомолекулярных соединений важным критерием правильности установленной структуры до сих пор является встречный синтез. Разработка методов синтеза природных и биологически активных соединений необходима для решения следующей важной задачи биоорганической химии - выяснения связи их строения и биологической функции.
• Выяснение связи строения и биологических функций биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов; изучение химических механизмов их биологического действия. Этот аспект биоорганической химии приобретает все большее практическое значение. Совершенствование арсенала методов химического и химико-ферментативного синтеза сложных биополимеров (биологически активных пептидов, белков, полинуклеотидов, нуклеиновых кислот, включая активно функционирующие гены) в совокупности со все более совершенствующейся техникой синтеза относительно более простых биорегуляторов, а также методов избирательного расщепления биополимеров позволяют все глубже понимать зависимость биологического действия от строения соединений. Использование высокоэффективной вычислительной техники дает возможность объективно сопоставлять многочисленные данные разных исследователей и находить общие закономерности. Найденные частные и общие закономерности, в свою очередь, стимулируют и облегчают синтез новых соединений, что в ряде случаев (например, при изучении пептидов, влияющих на деятельность мозга) позволяет находить практически важные синтетические соединения, превосходящие по биологической активности их природные аналоги. Изучение химических механизмов биологического действия открывает возможности создания биологически активных соединений с заранее заданными свойствами.
• Получение практически ценных препаратов.
• Биологическое тестирование полученных соединений.

Становление биоорганической химии. Историческая справка

Становление биоорганической химии в мире происходило в конце 50-х - начале 60-х гг., когда основными объектами исследований в этой области стали четыре класса органических соединений, играющих ключевую роль в жизни клетки и организма, - белки , полисахариды и липиды . Выдающиеся достижения традиционной химии природных соединений, такие как открытие Л. Полингом α-спирали как одного из главных элементов пространственной структуры полипептидной цепи в белках, установление А. Тоддом химического строения нуклеотидов и первый синтез динуклеотида, разработка Ф. Сенгером метода определения аминокислотной последовательности в белках и расшифровка с его помощью структуры инсулина, синтез Р. Вудвордом таких сложных природных соединений, как резерпин, хлорофилл и витамин В 12 , синтез первого пептидного гормона окситоцина, ознаменовали, по существу, превращение химии природных соединений в современную биоорганическую химию.

Однако в нашей стране интерес к белкам и нуклеиновым кислотам возник существенно раньше. Первые исследования по химии белка и нуклеиновых кислот были начаты еще в середине 20-х гг. в стенах Московского университета, и именно здесь сложились первые научные школы, успешно работающие в этих важнейших областях естествознания и по сей день. Так, в 20-е гг. по инициативе Н.Д. Зелинского были начаты систематические исследования по химии белка, главной задачей которых было выяснение общих принципов строения белковых молекул. Н.Д. Зелинский создал первую в нашей стране лабораторию химии белка, в которой были выполнены важные работы по синтезу и структурному анализу аминокислот и пептидов. Выдающаяся роль в развитии этих работ принадлежит М.М. Ботвинник и ее ученикам, которые добились впечатляющих результатов в изучении структуры и механизма действия неорганических пирофосфатаз, ключевых ферментов фосфорного обмена в клетке. К концу 40-х гг., когда стала вырисовываться ведущая роль нуклеиновых кислот в генетических процессах, М.А. Прокофьев и З.А. Шабарова приступили к работам по синтезу компонентов нуклеиновых кислот и их производных, положив тем самым начало химии нуклеиновых кислот в нашей стране. Были осуществлены первые синтезы нуклеозидов, нуклеотидов и олигонуклеотидов, внесен большой вклад в создание отечественных автоматических синтезаторов нуклеиновых кислот.

В 60-е гг. это направление в нашей стране развивалось последовательно и стремительно, зачастую опережая аналогичные шаги и тенденции за рубежом. В становлении биоорганической химии огромную роль сыграли фундаментальные открытия А.Н. Белозерского , доказавшего существование ДНК в высших растениях и систематически изучавшего химический состав нуклеиновых кислот, классические исследования В.А. Энгельгардта и В.А. Белицера по окислительному механизму фосфорилирования, всемирно известные исследования А.Е. Арбузова по химии физиологически активных фосфорорганических соединений, а также фундаментальные работы И.Н. Назарова и Н.А. Преображенского по синтезу разнообразных природных веществ и их аналогов и другие работы. Крупнейшие заслуги в создании и развитии биоорганической химии в СССР принадлежат академику М.М. Шемякину . Им, в частности, были начаты работы по изучению атипичных пептидов - депсипептидов, которые впоследствии получили широкое развитие в связи с их функцией как ионофоров. Талант, прозорливость и кипучая деятельность этого и других ученых способствовали быстрому росту международного авторитета советской биоорганической химии, ее консолидации на наиболее актуальных направлениях и организационному укреплению в нашей стране.

В конце 60-х - начале 70-х гг. в синтезе биологически активных соединений сложной структуры начали применять в качестве катализаторов ферменты (т.н. комбинированный химико-ферментативный синтез). Этот подход был использован Г. Кораной для первого синтеза гена. Использование ферментов позволило осуществить строго избирательное превращение ряда природных соединений и получить с высоким выходом новые биологически активные производные пептидов, олигосахаридов и нуклеиновых кислот. В 70-х гг. наиболее интенсивно развивались такие разделы биоорганической химии как синтез олигонуклеотидов и генов, исследования клеточных мембран и полисахаридов, анализ первичной и пространственной структур белков. Были изучены структуры важных ферментов (трансаминаза, β-галактозидаза, ДНК-зависимая РНК-полимераза), защитных белков (γ-глобулины, интерфероны), мембранных белков (аденозинтрифосфатазы, бактериородопсин). Большое значение приобрели работы по изучению строения и механизма действия пептидов - регуляторов нервной деятельности (т.н. нейропептиды).

Современная отечественная биоорганическая химия

В настоящее время отечественная биоорганическая химия занимает ведущие позиции в мире по ряду ключевых направлений. Достигнуты крупные успехи в исследовании структуры и функции биологически активных пептидов и сложных белков, включая гормоны, антибиотики, нейротоксины. Важные результаты получены в химии мембранно-активных пептидов. Исследованы причины уникальной избирательности и эффективности действия диспепсидов-ионофоров и выяснен механизм из функционирования в живых системах. Получены синтетические аналоги ионофоров с заданными свойствами, во много раз превосходящие по эффективности природные образцы (В.Т. Иванов, Ю.А. Овчинников). Уникальные свойства ионофоров используются для создания на их основе ионселективных датчиков, получивших широкое распространение в технике. Успехи, достигнутые при изучении другой группы регуляторов - нейротоксинов, являющихся ингибиторами передачи нервных импульсов, привели к их широкому использованию в качестве инструментов для изучения мембранных рецепторов и других специфических структур клеточных мембран (Е.В. Гришин). Развитие работ по синтезу и изучению пептидных гормонов привело к созданию высокоэффективных аналогов гормонов окситоцина, ангиотензина II и брадикинина, ответственных за сокращение гладкой мускулатуры и регуляцию кровяного давления. Крупным успехом явился полный химический синтез инсулиновых препаратов, в том числе инсулина человека (Н.А. Юдаев, Ю.П. Швачкин и др.). Открыт и изучен ряд белковых антибиотиков, в том числе грамицидин S, полимиксин М, актиноксантин (Г.Ф. Гаузе, А.С. Хохлов и др.). Активно развиваются работы по исследованию структуры и функции мембранных белков, осуществляющих рецепторные и транспортные функции. Получены фоторецепторные белки родопсин и бактериородопсин и изучены физико-химические основы их функционирования в качестве светозависимых ионных насосов (В.П. Скулачев, Ю.А. Овчинников, М.А. Островский). Широко исследуются строение и механизм функционирования рибосом - основных систем биосинтеза белков в клетке (А.С. Спирин, А.А. Богданов). Большие циклы исследований связаны с изучением ферментов, определением их первичной структуры и пространственного строения, изучением каталитических функций (аспартатаминотрансферазы, пепсин, химотрипсин, рибонуклеазы, ферменты фосфорного обмена, гликозидазы, холинэстеразы и др.). Разработаны методы синтеза и химической модификации нуклеиновых кислот и их компонентов (Д.Г. Кнорре, М.Н. Колосов, З.А. Шабарова), разрабатываются подходы к созданию на их основе лекарств нового поколения для лечения вирусных, онкологических и аутоиммунных заболеваний. С использованием уникальных свойств нуклеиновых кислот и на их основе создаются диагностические препараты и биосенсоры, анализаторы ряда биологически активных соединений (В.А. Власов, Ю.М. Евдокимов и др.)

Значительные успехи достигнуты в синтетической химии углеводов (синтез бактериальных антигенов и создание искусственных вакцин, синтез специфических ингибиторов сорбции вирусов на клеточной поверхности, синтез специфических ингибиторов бактериальных токсинов (Н.К. Кочетков, А.Я. Хорлин)). Существенные успехи достигнуты при изучении липидов, липоаминокислот, липопептидов и липопротеинов (Л.Д. Бергельсон, Н.М. Сисакян). Разработаны методы синтеза многих биологически активных жирных кислот, липидов и фосфолипидов. Изучено трансмембранное распределение липидов в различных видах липосом, в бактериальных мембранах и в микросомах печени.

Важным направлением биоорганической химии является изучение разнообразных природных и синтетических веществ, способных регулировать различные процессы, протекающие в живых клетках. Это репелленты, антибиотики, феромоны, сигнальные вещества, ферменты, гормоны, витамины и другие (т.н. низкомолекулярные регуляторы). Разработаны методы синтеза и производства практически всех известных витаминов, значительной части стероидных гормонов и антибиотиков. Разработаны промышленные методы получения ряда коферментов, применяемых в качестве лечебных препаратов (коэнзим Q, пиридоксальфосфат, тиаминпирофосфат и др.). Предложены новые сильные анаболитики, превосходящие по действию известные зарубежные препараты (И,В. Торгов, С.Н. Ананченко). Исследованы биогенез и механизмы действия природных и трансформированных стероидов. Существенные успехи достигнуты в изучении алкалоидов, стероидных и тритерпеновых гликозидов, кумаринов. Оригинальные исследования выполнены в области химии пестицидов, которые привели к выпуску ряда ценных препаратов (И.Н. Кабачник, Н.Н. Мельников и др.). Ведется активный поиск новых лекарственных препаратов, необходимых для лечения разнообразных заболеваний. Получены препараты, доказавшие свою эффективность при лечении ряда онкологических заболеваний (допан, сарколизин, фторафур и др.).

Приоритетные направления и перспективы развития биоорганической химии

Приоритетными направлениями научных исследований в области биоорганической химии являются:

• исследование структурно-функциональной зависимости биологически активных соединений;
• дизайн и синтез новых биологически активных препаратов, включая создание лекарственных средств и средств защиты растений;
• исследование высокоэффективных биотехнологических процессов;
• исследование молекулярных механизмов процессов, происходящих в живом организме.

Ориентированные фундаментальные исследования в области биоорганической химии направлены на изучение структуры и функции важнейших биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов, в том числе белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, алкалоидов, простагландинов и других соединений. Биоорганическая химия тесно связана с практическими задачами медицины и сельского хозяйства (получение витаминов, гормонов, антибиотиков и других лекарственных средств, стимуляторов роста растений и регуляторов поведения животных и насекомых), химической, пищевой и микробиологической промышленности. Результаты научных исследований являются основой для создания научно-технической базы технологий производства современных средств медицинской иммунодиагностики, реагентов для медико-генетических исследований и реактивов для биохимического анализа, технологий синтеза субстанций лекарственных препаратов для применения в онкологии, вирусологии, эндокринологии, гастроэнтерологии, а также химических средств защиты растений и технологий их применения для сельского хозяйства.

Решение основных проблем биоорганической химии важно для дальнейшего прогресса биологии , химии и ряда технических наук . Без выяснения строения и свойств важнейших биополимеров и биорегуляторов нельзя познать сущность жизненных процессов, а тем более найти пути управления такими сложными явлениями, как размножение и передача наследственных признаков, нормальный и злокачественный рост клеток, иммунитет, память , передача нервных импульсов и многое другое. В то же время изучение высокоспециализированных биологически активных веществ и процессов, протекающих с их участием, может открыть принципиально новые возможности для развития химии, химической технологии и техники. К проблемам, решение которых связано с исследованиями в области биоорганической химии, относится создание строго специфичных высокоактивных катализаторов (на основе изучения строения и механизма действия ферментов), прямое превращение химической энергии в механическую (на основе изучения мышечного сокращения), использование в технике химических принципов хранения и передачи информации, осуществляемых в биологических системах, принципов саморегулирования многокомпонентных систем клетки, в первую очередь избирательной проницаемости биологических мембран, и многое др. Перечисленные проблемы лежат далеко за пределами собственно биоорганической химии, однако она создает основные предпосылки для разработки этих проблем, обеспечивая главные опорные пункты для развития биохимических исследований, относящихся уже к области молекулярной биологии. Широта и важность решаемых проблем, разнообразие методов и тесная связь с другими научными дисциплинами обеспечивают быстрое развитие биоорганической химии.. Вестник Московского Университета, серия 2, Химия. 1999. Т. 40. № 5. С. 327-329.

Бендер М., Бергерон Р., Комияма М. Биоорганическая химия ферментативного катализа . Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 352 С.

Яковишин Л.А. Избранные главы биоорганической химии . Севастополь: Стрижак-пресс, 2006. 196 С.

Николаев А.Я. Биологическая химия . М.: Медицинское информационное агентство, 2001. 496 С.

Привет! Многие студенты медицинских вузов сейчас разбирают биоорганическую химию, она же – БОХ.

В некоторых вузах этот предмет заканчивается зачётом, в некоторых – экзаменом. Иногда бывает, что зачёт в одном вузе сравним по сложности с экзаменом в другом.

В моём университете биоорганическая химия сдавалась как раз экзаменом во время летней сессии в самый конец первого курса. Надо сказать, что БОХ относится к тем предметам, которые поначалу ужасают и могут вселять мысль — «это сдать невозможно». Особенно это конечно касается людей со слабой базой органической химии (а таких в медицинских университетах, как ни странно, довольно много).

Программы изучения биоорганической химии в разных университетах могут очень сильно отличаться, а методики преподавания – ещё сильнее.

Однако требования к студентам везде примерно одинаковые. Если очень упростить, то чтобы сдать биоорганическую химию на 5, вы должны знать названия, свойства, особенности строения и типичные реакции ряда органических веществ.

Наш преподаватель, уважаемый профессор, подавал материал так, будто бы каждый студент был самым лучшим в школе по органической химии (а биоорганическая химия по сути представляет собой усложнённый курс школьной органической химии). Наверное, он был прав в своём подходе, все должны тянуться наверх и стараться быть лучшими. Однако это привело к тому, что некоторые студенты, которые на первых 2-3 парах не понимали материал частично, ближе к середине семестра вообще перестали понимать всё.

Я решил написать этот материал по большей части из-за того, что я как раз и был таким студентом. В школе я очень любил неорганическую химию, а вот с органикой у меня всегда не складывалось. Я даже когда готовился к ЕГЭ, выбрал стратегию усиления всех своих знания по неорганике, в то же время закрепляя только базу органики. Мне кстати это чуть не вышло боком в плане вступительных баллов, но это другая история.

Я не зря сказал про методику преподавания, потому что у нас она была тоже весьма необычная. Нам сразу же, чуть ли не на первой паре, продемонстрировали методички, по которым мы должны были сдавать зачёты и затем экзамен.

Биоорганическая химия — зачёты и экзамен

Весь курс у нас делился на 4 крупных темы, каждая из которых заканчивалась зачётным занятием. Вопросы к каждому из четырёх зачётов у нас уже были с первых пар. Они, конечно же, пугали, однако в то же время они служили своеобразной картой, по которой следует двигаться.

Первый зачёт был совсем элементарный. Он был посвящён, в основном, номенклатуре, тривиальным (бытовым) и международным названиям, и, конечно же, классификации веществ. Также в том или ином виде затрагивались признаки ароматичности.

Второй зачёт после первого казался значительно более сложным. Там необходимо было расписывать свойства и реакции таких веществ, как кетоны, альдегиды, спирты, карбоновые кислоты. Например, одна из типичнейших реакций альдегидов — это реакция серебряного зеркала. Довольно красивое зрелище. Если к какому-либо альдегиду вы добавите реактив Толленса, то есть ОН, то на стенке пробирки вы увидите осадок, напоминающий зеркало, вот как это выглядит:

Третий зачёт на фоне второго не казался таким грозным. Все уже привыкли писать реакции и запоминать свойства по классификациям. В третьем зачёте речь шла о соединениях с двумя функциональными группами – аминофенолы, аминоспирты, оксокислоты и другими. Также в каждом билете был минимум один билет про углеводы.

Четвёртый зачёт по биоорганической химии был почти целиком и полностью посвящён белкам, аминокислотам и пептидным связям. Особой изюминкой были вопросы, на которых требовалось собрать РНК и ДНК.

Кстати, как раз вот так выглядит аминокислота — вы можете увидеть аминогруппу (она подкрашена жёлтым на этом рисунке) и группу карбоксильной кислоты (она сиреневая). Именно с веществами этого класса приходилось иметь дело в четвертом зачёте.

Каждый зачёт сдавался у доски – студент должен без подсказок расписать и пояснить все необходимые свойства в виде реакций. Например, если вы сдаёте второй зачёт, у вас в билете свойства спиртов. Вам преподаватель говорит – возьми пропанол. Вы пишете формулу пропанола и 4-5 типичных реакций, чтобы проиллюстрировать его свойства. Могла быть и экзотика, вроде серосодержащих соединений. Ошибка даже в индексе одного продукта реакции зачастую отправляла дальше учить этот материал до следующей попытки (которая была через неделю). Страшно? Сурово? Конечно!

Однако у такого подхода есть очень приятный побочный эффект. Во время регулярных семинарских занятий приходилось тяжко. Многие сдавали зачёты по 5-6 раз. Но зато на экзамене было очень легко, ведь каждый билет содержал 4 вопроса. Именно, по одному из каждого уже выученного и решённого зачёта.

Поэтому я даже не буду расписывать тонкости подготовки к экзамену по биоорганической химии. В нашем случае вся подготовка сводилась к тому, как мы готовились к самим зачётам. Уверенно сдал каждый из четырёх зачётов – перед экзаменом просто просмотри свои же черновики, распиши ещё самые основные реакции и сразу всё восстановится. Дело в том, что органическая химия — это очень логичная наука. Запоминать нужно не огромные строки реакций, а сами механизмы.

Да, отмечу, что это работает далеко не со всеми предметами. Грозную анатомию не получится сдать, просто почитав свои записи накануне. Ряд других предметов также имеет свои особенности. Даже если в вашем медицинском университете биоорганическая химия преподаётся как-то иначе, возможно, вам нужно будет скорректировать вашу подготовку и осуществлять её немного не так, как делал я. В любом случае, удачи вам, понимайте и любите науку!

Предмет биоорганической химии.
Строение и изомерия органических
соединений.
Химическая связь и взаимовлияние
атомов в органических соединениях.
Типы химических реакций.
Поли- и гетерофункциональные
соединения.
Основной учебник – Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И.
Биоорганическая химия.
Текст лекций и пособие «Биоорганическая химия в
вопросах и ответах» см. на сайте ТГУ http://tgumed.ru
вкладка «Помощь студенту», раздел «Лекции по
дисциплинам учебного плана». И, конечно, ВК

Биоорганическая химия изучает строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, в связи с познанием их биологическ

Биоорганическая химия изучает строение и свойства веществ,
участвующих в процессах жизнедеятельности, в связи с
познанием их биологических функций.
Основными объектами изучения служат биологические
полимеры (биополимеры) и биорегуляторы.
Биополимеры
–
высокомолекулярные
природные
соединения, являющиеся структурной основой всех живых
организмов и играющие определенную роль в процессах
жизнедеятельности. К биополимерам относят пептиды и
белки, полисахариды (углеводы), нуклеиновые кислоты. В
эту группу включают и липиды, которые сами по себе не
являются высокомолекулярными соединениями, но в
организме обычно связаны с другими биополимерами.
Биорегуляторы – соединения, которые химически
регулируют обмен веществ. К ним относят витамины,
гормоны, многие синтетические биологически активные
соединения, в том числе лекарственные вещества.

Совокупность химических реакций, протекающих в организме, называют обменом веществ, или метаболизмом. Вещества, образующиеся в клетках, тк

Совокупность химических реакций, протекающих в организме,
называют обменом веществ, или метаболизмом. Вещества,
образующиеся в клетках, тканях и органах растений и животных
в процессе метаболизма, называют метаболитами.
Метаболизм включает два направления – катаболизм и
анаболизм.
К катаболизму относят реакции распада веществ, попадающих
в организм с пищей. Как правило, они сопровождаются окислением органических соединений и протекают с выделением
энергии.
Анаболизм представляет собой синтез сложных молекул из
более простых, в результате которого осуществляется образование и обновление структурных элементов живого организма.
Метаболические процессы протекают с участием ферментов,
т.е. специфических белков, которые находятся в клетках
организма и играют роль катализаторов биохимических
процессов (биокатализаторы).

Метаболизм

катаболизм
анаболизм
Распад биополимеров
с выделением
энергии
Синтез биополимеров
с поглощением
энергии
Глицерин и
жирные кислоты

Основные положения теории строения органических соединений А.М. Бутлерова

1. Атомы в молекуле располагаются в определенной
последовательности согласно их валентности.
Валентность атома углерода в органических
соединениях равна четырем.
2. Свойства веществ зависят не только от того, какие
атомы и в каких количествах входят в состав
молекулы, но и от того, в каком порядке они
соединены между собой.
3. Атомы или группы атомов, входящих в состав
молекулы, взаимно влияют друг на друга, от чего
зависят химическая активность и реакционная
способность молекул.
4. Изучение свойств веществ позволяет определить их
химическое строение.

Г о м о л о г и ч е с к и й р я д

Гомологический
ряд
Ряд сходных по строению соединений, обладающих
близкими химическими свойствами, в котором отдельные
члены ряда отличаются друг от друга лишь количеством
групп -СН2-, называется гомологическим рядом, а группа
СН2 – гомологической разностью.
У членов любого гомологического ряда подавляющее
большинство реакций протекает одинаково (исключение
составляют только первые члены рядов). Следовательно, зная
химические реакции лишь одного члена ряда, можно с
большой степенью вероятности утверждать, что такого же
типа превращения протекают и с остальными членами
гомологического ряда.
Для любого гомологического ряда может быть выведена
общая формула, отражающая соотношение между атомами
углерода и водорода у членов этого ряда; такая формула
называется общей формулой гомологического ряда.

Классификация органических соединений по строению углеродного скелета

Классификация органических соединений по наличию функциональных групп

Функциональная группа
Класс
Пример
атомы галогенов (F, Cl, Br, I) галогенопроизводные СН3СН2Cl (хлорэтан)
гидроксильная (–ОН)
спирты (фенолы)
СН3СН2ОН (этанол)
тиольная или меркапто- (– тиолы (меркаптаны) СН3СН2SН (этантиол)
SН)
эфирная (–О–)
простые эфиры
СН3СН2–О–СН2СН3
(диэтиловый
эфир)
сложноэфирная
карбоксильная –С ООН
сложные эфиры
СН3СН2СООСН3 (метилацетат)
карбоновые кислоты СН3СООН (уксусная кислота)
амидная –С ОNН2
амиды
карбонильная (–С=О)
сульфо- (–SО3Н)
амино- (–NH2)
альдегиды и
кетоны
сульфокислоты
амины
нитро- (–NO2)
нитросоединения
кислот
СН3СОNН2 (ацетамид)
СН3СНО (этаналь)
СН3СОСН3 (пропанон)
СН3SО3Н (метансульфокислота)
СН3СН2NH2
(этиламин,
первичный амин)
СН3NHСН3
(диметиламин,
вторичный амин)
СН3СН2NО2 (нитроэтан)

Номенклатура органических соединений

Изомерия органических соединений

Если два или больше индивидуальных веществ имеют
одинаковый количественный состав (молекулярную формулу),
но отличаются друг от друга последовательностью связывания
атомов и (или) расположением их в пространстве, то в общем
случае они называются изомерами.
Поскольку строение этих соединений разное, то и
химические или физические свойства изомеров
отличаются.
Типы изомерии: структурная (изомеры строения) и
стереоизомерия (пространственная).
Структурная изомерия может быть трёх видов:
- изомерия углеродного скелета (изомеры цепи),
- изомеры положения (кратных связей или функциональных
групп),
- изомеры функциональной группы (межклассовая).
Стереоизомерия подразделяется
конфигурационную
на
конформационную
и

Вот такая геометрическая изомерия

Плоскополяризованный свет

Признаки оптической активности:
- наличие асимметрического атома углерода;
- отсутствие элементов симметрии молекулы

Энантиомеры адреналина
белок
Анионный
Плоская
центр
поверхность
не занято
Плоская
Анионный
поверхность
центр
занято
(+)- адреналин
(-)- адреналин
неполное
соответствие
низкая
активность
полное
соответствие
высокая
активность

Биологическая активность энантиомеров

аспарагин
ДАРВОН
анальгетик
НОВРАД
противокашлевый препарат
зеркало
L-аспарагин
D-аспарагин
(из спаржи)
(из горошка)
горький вкус
сладкий вкус
энантиомеры
Жертвы талидомида

Кислотность и основность органических соединений

Кислоты Бренстеда (протонные кислоты) -
нейтральные молекулы или ионы, способные
отдавать протон (доноры протонов).
Типичные кислоты по Бренстеду – карбоновые
кислоты. Более слабыми кислотными свойствами обладают
гидроксильные группы фенолов и спиртов, а также тио-,
амино- и иминогруппы.
Основания Бренстеда - нейтральные молекулы или
ионы, способные присоединять протон (акцепторы
протонов).
Типичные основания по Бренстеду – амины.
Амфолиты – соединения, в молекулах
которых присутствуют и кислотные и
основные группы.

Типы кислот и оснований по Брёнстеду

Основные центры в молекуле новокаина

Использование основных свойств для получения водорастворимых форм лекарственных препаратов

Основные
свойства
лекарственных
препаратов
используются для получения их водорастворимых форм.
При взаимодействии с кислотами образуются соединения с
ионными связями – соли, хорошо растворимые в воде.
Так, новокаин для инъекций
применяется в виде гидрохлорида.
наиболее сильный основный центр,
к которому присоединился протон

Кислотно-основные свойства веществ и их поступление в организм

липидная
мембрана
Желудок рН 1
СООН
липидная
мембрана
плазма крови
рН 7,4
СООН
ОСОСН3
Желудок рН 1
+
ОСОСН3
NH3
СОООСОСН3
СОО-
NH2
NH2
ОСОСН3
Кишечник рН 7-8
плазма крови
рН 7,4
Кишечник рН 7-8
Препараты кислотной природы лучше всасываются из желудка (pH 1-3),
а всасывание лекарств или ксенобиотиков-оснований происходит только
после того, когда они пройдут из желудка в кишечник (pH 7-8). В течение
одного часа из желудка крыс всасывается почти 60% ацетилсалициловой
кислоты и только 6% анилина от введенной дозы. В кишечнике крыс
всасывается уже 56% от введенной дозы анилина. Такое слабое основание,
как кофеин (рKВH+ 0,8), всасывается за то же время в гораздо большей
степени (36%), так как даже в сильнокислой среде желудка кофеин
преимущественно находится в неионизированном состоянии.

Типы реакций в органической химии

Органические реакции классифицируют по
следующим признакам:
1. По электронной природе реагентов.
2. По изменению числа частиц в ходе реакции.
3. По частным признакам.
4. По механизмам элементарных
стадий реакций.

В зависимости от электронной природы реагентов различают реакции: нуклеофильные, электрофильные и свободнорадикальные

Свободные радикалы – это электронейтральные частицы,
имеющие неспаренный электрон, например: Cl , NO2.
Свободнорадикальные реакции характерны для алканов.
Электрофильные реагенты – это катионы или молекулы,
которые сами по себе или же в присутствии катализатора
обладают повышенным сродством к электронной паре или
отрицательно заряженным центрам молекул. К ним относятся
катионы H+, Cl+, +NO2, +SO3H, R+ и молекулы со свободными
орбиталями AlCl3, ZnCl2 и т.п.
Электрофильные реакции характерны для алкенов, алкинов,
ароматических соединений (присоединение по двойной связи,
замещение протона).
Нуклеофильные реагенты – это анионы или молекулы,
имеющие центры с повышенной электронной плотностью. К ним
относятся такие анионы и молекулы, как
HO-, RO-, Cl-, Br-, RCOO-, CN-, R-, NH3, C2H5OH и т.д.

По изменению
числа частиц в ходе
реакции различают
реакции замещения,
присоединения,
отщепления
(элиминирования),
разложения

Классификация реакций по частным признакам

Реакционная способность всегда рассматривается
только по отношению к реакционному партнеру.
В ходе химического превращения обычно
затрагивается не вся молекула, а только ее часть -
реакционный центр.
В органическом соединении может присутствовать
несколько неравноценных реакционных центров.
Реакции могут приводить к изомерным продуктам.
Селективность реакции – качественная
характеристика, означающая преимущественное
протекание реакции по одному направлению из
нескольких возможных.
Различают региоселективность,
хемоселективность, стереоселективность реакции.

Селективность реакций в органической химии

Региоселективность - предпочтительное протекание реакции по
одному из нескольких реакционных центров молекулы.
СН3-СН2-СН3 + Вr2
СН3-СНВr-СН3 + НВr
Второй изомер, 1-бромпропан, практически не образуется.
Хемоселективность - предпочтительное протекание реакции по
одной из родственных функциональных групп.
Стереоселективность - предпочтительное образование в реакции
одного из нескольких возможных стереоизомеров.

Полифункциональные соединения содержат
несколько одинаковых функциональных групп.
Гетерофункциональные соединения содержат
несколько различных функциональных групп.
Гетерополифункциональные
соединения содержат как
различные, так и одинаковые
функциональные группы.

Свойства поли- и гетерофункциональных соединений

Каждая группа в поли- и гетерофункциональных
соединениях может вступать в те же реакции, что и
соответствующая группа в монофункциональных
соединениях

Специфические свойства поли- и
гетерофункциональных соединений
Реакции циклизации
Образование хелатных комплексов

Полифункциональные соединения как противоядия
Токсическое действие тяжёлых металлов состоит в
связывании тиольных групп белков. В результате ингибируются
жизненно важные ферменты организма.
Принцип действия антидотов – образование прочных
комплексов с ионами тяжёлых металлов.

Биоорганическая химия. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И.

3-е изд., перераб. и доп. - М.: 2004 - 544 с.

Основная особенность учебника - сочетание медицинской направленности этого химического курса, необходимого для студентов-медиков, с его высоким, фундаментальным научным уровнем. В учебник включен базисный материал по строению и реакционной способности органических соединений, в том числе биополимеров, являющихся структурными компонентами клетки, а также основных метаболитов и низкомолекулярных биорегуляторов. В третьем издании (2-е - 1991 г.) особое внимание уделено соединениям и реакциям, имеющим аналогии в живом организме, усилен акцент на освещение биологической роли важных классов соединений, расширен спектр современных сведений экологического и токсикологического характера. Для студентов вузов, обучающихся по специальностям 040100 Лечебное дело, 040200 Педиатрия, 040300 Медико-профилактическое дело, 040400 Стоматология.

Формат: pdf

Размер: 15 Мб

Смотреть, скачать: drive.google

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие...................... 7
Введение......................... 9
Часть I
ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Глава 1. Общая характеристика органических соединений 16
1.1. Классификация. "................ 16
1.2. .Номенклатура... ............ 20
1.2.1. Заместительная номенклатура........... 23
1.2.2. Радикально-функциональная номенклатура........ 28
Глава 2. Химическая связь и взаимное влияние атомов в органических
соединениях.................. 29
2.1. Электронное строение элементов-органогенов...... 29
2.1.1. Атомные орбитали................ 29
2.1.2. Гибридизация орбиталей............. 30
2.2. Ковалентные связи............... 33
2.2.1. а- и л-Связи.................. 34
2.2.2. Донорно-акцепторные связи............ 38
2.2.3. Водородные связи............... 39
2.3. Сопряжение и ароматичность............ 40
2.3.1. Системы с открытой цепью сопряжения... ,..... 41
2.3.2. Системы с замкнутой цепью сопряжения........ 45
2.3.3. Электронные эффекты.............. 49
Глава 3. Основы строения органических соединений....... 51
3.1. Химическое строение и структурная изомерия...... 52
3.2. Пространственное строение и стереоизомерия...... 54
3.2.1. Конфигурация................. 55
3.2.2. Конформация................. 57
3.2.3. Элементы симметрии молекул............ 68
3.2.4. Эиантиомерия............... 72
3.2.5. Диастереомерия................
3.2.6. Рацематы.................. 80
3.3. Энантиотопия, диастереотопия. . ......... 82
Глава 4 Общая характеристика реакций органических соединений 88
4.1. Понятие о механизме реакции..... 88
3
11.2. Первичная структура пептидов и белков........ 344
11.2.1. Состав и аминокислотная последовательность...... 345
11.2.2. Строение и синтез пептидов............ 351
11.3. Пространственное строение полипептидов и белков.... 361
Глава 12. Углеводы.................... 377
12.1. Моносахариды................. 378
12.1.1. Строение и стереоизомерия............. 378
12.1.2. Таутомерия..............." . 388
12.1.3. Конформации................. 389
12.1.4. Производные моносахаридов............ 391
12.1.5. Химические свойства............... 395
12.2. Дисахариды.................. 407
12.3. Полисахариды................. 413
12.3.1. Гомополисахариды............... 414
12.3.2. Гетерополисахариды............... 420
Глава 13. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты..........431
13.1. Нуклеозиды и нуклеотиды............. 431
13.2. Структура нуклеиновых кислот........... 441
13.3 Нуклеозидполифосфаты. Никотинамнднуклеотиды..... 448
Глава 14. Липиды и низкомолекулярные биорегуляторы...... 457
14.1. Омыляемые липиды............... 458
14.1.1. Высшие жирные кислоты - структурные компоненты омыля-емых липидов 458
14.1.2. Простые липиды................ 461
14.1.3. Сложные липиды................ 462
14.1.4. Некоторые свойства омыляемых липидов и их структурных компонентов 467
14.2. Неомыляемые липиды 472
14.2.1. Терпены.......... ...... 473
14.2.2. Низкомолекулярные биорегуляторы липидной природы. . . 477
14.2.3. Стероиды................... 483
14.2.4. Биосинтез терпенов и стероидов........... 492
Глава 15. Методы исследования органических соединений...... 495
15.1. Хроматография................. 496
15.2. Анализ органических соединений. . ........ 500
15.3. Спектральные методы............... 501
15.3.1. Электронная спектроскопия............. 501
15.3.2. Инфракрасная спектроскопия............ 504
15.3.3. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса...... 506
15.3.4. Электронный парамагнитный резонанс......... 509
15.3.5. Масс-спектрометрия............... 510

Предисловие
На протяжении многовековой истории развития естествознания установилась тесная взаимосвязь между- медициной и химией. Происходящее в настоящее время глубокое взаимопроникновение этих наук приводит к появлению новых научных направлений, изучающих молекулярную природу отдельных физиологических процессов, молекулярные основы патогенеза болезней, молекулярные аспекты фармакологии и т. п. Необходимость познания процессов жизнедеятельности на молекулярном уровне объяснима, «ибо живая клетка - настоящее царство больших и малых молекул, непрерывно взаимодействующих, возникающих и исчезающих»*.
Биоорганическая химия изучает биологически значимые вещества и может служить «молекулярным инструментом» при разностороннем исследовании компонентов клетки.
Биоорганическая химия играет важную роль в развитии современных областей медицины и является неотъемлемой частью естественнонаучного образования врача.
Прогресс медицинской науки и улучшение здравоохранения связаны с глубокой фундаментальной подготовкой специалистов. Актуальность такого подхода во многом определяется превращением медицины в крупную отрасль социальной сферы, в поле зрения которой находятся проблемы экологии, токсикологии, биотехнологии и т. д.
Ввиду отсутствия в учебных планах медицинских вузов общего курса органической химии в настоящем учебнике отводится определенное место основам органической химии, необходимым для усвоения биоорганической химии. При подготовке третьего издания (2-е - 1992 г.) материал учебника переработан и еще более приближен к задачам восприятия медицинских знаний. Расширен круг соединений и реакций, имеющих аналогии в живых организмах. Большее внимание уделено сведениям экологического и токсикологического характера. Некоторому сокращению подверглись элементы сугубо химического характера, не имеющие принципиального значения для медицинского образования, в частности, способы получения органических соединений, свойства ряда отдельных представителей и т. п. Вместе с тем расширены разделы, включающие материал о взаимосвязи между структурой органических веществ и их биологическим действием как молекулярной основы действия лекарственных средств. Улучшена структура учебника, в отдельные рубрики вынесен химический материал, имеющий специальное медико-биологическое значение.
Авторы выражают искреннюю благодарность профессорам С. Э. Зурабяну, И. Ю. Белавину, И. А. Селивановой, а также всем коллегам за полезные советы и помощь в подготовке рукописи к переизданию.