Основы биоорганической химии

О.А. Журавская

ОСНОВЫ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Учебно-методическое пособие

для студентов медицинских вузов

Самара 2010

УДК

Ж 91

Рецензенты:

– кандидат химических наук, доцент А.А. Данилин;

– кандидат химических наук, доцент О.К. Шаховкина.

Журавская О.А. Основы биоорганической химии:Учебно-методическое пособие для студентов медицинских вузов. – Самара, НОУ ВПО «Самарский медицинский институт «РеаВиЗ», 2010 − 52 с.

Изучение биоорганической химии в медицинских вузах связано с усвоением большого объема материала при малом количестве аудиторных часов.

В учебном пособии изложены ключевые моменты биоорганической химии, материал представлен в текстуальной форме, таблицах, схемах и рисунках, что позволяет оптимизировать процесс запоминания.

Пособие предназначено для студентов медицинских вузов, обучающихся по специальностям «Лечебное дело» и «Стоматология» очной и очно-заочной формы обучения.

© НОУ ВПО СМИ «РеаВиЗ», 2010

Раздел 1. Основы строения и факторы, определяющие реакционную способность органических соединений

1.1. Введение в биоорганическую химию.
Основные понятия и термины

Биоорганическая химия изучает строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, в непосредственной связи с познанием их биологических функций.

Объекты биоорганической химии

Биополимеры	Биорегуляторы −
(их структурные компоненты) – Высокомолекулярные природные соединения, служащие структурной основой живых организмов (пептиды, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды).	Соединения, регулирующие обмен веществ (витамины, гормоны, синтетические БАВ, лекарственные средства).

Некоторые понятия и термины

Метаболизм (обмен веществ) – совокупность химических реакций, протекающих в организме; дает энергию и вещества, необходимые для функционирования организма.

Катаболизм – реакции распада (выделение энергии, окисление [O]).

Анаболизм – реакции биосинтеза (затрата энергии, восстановление [H]).

Биосинтез – химические реакции, приводящие в условиях организма к получению конкретного класса соединений.

Для обозначения химического процесса, протекающего вне организма используется латинское название – in vitro, внутри организма – in vivo.

Ациклические углеводороды

Алканы – ациклические углеводороды, содержащие максимальное количество атомов водорода. Первые четыре представителя имеют полусистематические названия – метан, этан, пропан, бутан. Остальные алканы называют с помощью корня соответствующего греческого числительного с добавлением суффикса – ан:

n	CnH2n+2	n	CnH2n+2
	CH4 - метан		C12H26 - додекан
	C2H6 - этан		C15H32 - пентадекан
	C3H8 - пропан		C18H38 - октадекан
	C4H10 - бутан		C20H42 - эйкозан
	C5H12 - пентан		C21H44 - генэйкозан
	C6H14 - гексан		C28H58 - октакозан
	C7H16 - гептан		C30H62 - триаконтан
	C8H18 - октан
	C9H20 - нонан
	C10H22 - декан

Одновалентные радикалы, производимые от насыщенных ациклических углеводородов, называют путем замены окончания –ан на –ил:

CH₃ – метил-

C₂H₅ – этил-

CH₃–CH₂–CH₂ – пропил-

H₃ C

CH– изопропил-

H₃C

CH₃–CH₂–CH–CH₃ – втор-бутил-

|

H₃ C

CH– CH₂– изобутил- и т.д.

H₃C

Наиболее длинная С-цепь (родоначальная структура) нумеруется так, чтобы номера были наименьшими:

2,3,5 – триметилпентан

3,3 – диметил – 4 – этилгептан

Непредельные ациклические углеводороды содержат кратные связи, наличие которых обозначают путем замены суффикса -ан на -ен(при двойной связи С=С), на -ин (при тройной связи С≡С).

Соединения, имеющие как двойные, так и тройные связи, получают названия путем замены суффикса –ан в названии соответствующего алкана на -енин, -адиенин, -атриенин, -ендин и т.п. Кратным связям должны соответствовать низкие цифровые обозначения, а двойным связям присваивают наименование номера:

3,4 – диметилгексен -1	4,6-диметил-3-этилгептин-1
пентен-1-ин-4

Одновалентные радикалы непредельных ациклических углеводородов:

CH₂=CH– винил-

CH₂=CH–CH₂– аллил-

HC≡C– этенил

Циклопропан

циклогексен

Одновалентные радикалы, образованные из циклоалканов, называют, заменяя суффикс –ан на –ил. Атом углерода, несущий свободную валентность, обозначают номером 1.

циклопропил- циклобутил- циклопентил-

Моноциклические и полициклические ароматические углеводороды (арены) имеют тривиальные названия, использование которых разрешено правилами ИЮПАК:

бензол

CH3     толуол

CH3               ксилол

CH=CH2               стирол

Прочие моноциклические ароматические углеводороды называют как производные бензола. Положения заместителей указывают цифрами, за исключением случаев, когда при наличии двух заместителей вместо
1,2-; 1,3- и 1,4- могут быть использованы обозначения о- (орто-); м- (мета-); п- (пара-) соответственно:

CH3     CH3     1,2 – диметилбензол (о-ксилол)

CH=CH2                 CH2–CH3 4-этилстирол (п-этилстирол)

Одновалентные радикалы моноциклических ароматических углеводородов:

фенил-	бензил-
стирил-	мезитил-
n-толил-	и т.д.

Спирты и фенолы

При назывании спиртов по заместительной номенклатуре группа –OH рассматривается как главная и обозначается суффиксом –ол (-диол, -триол, -тетраол и т.д.), нумерация осуществляется с таким расчетом, чтобы группа –OH получила меньший номер:

пропанол-1

бутандиол-1,3

2-этилпентен-2-ол-1

циклогексен-2-ол-1

Для некоторых спиртов сохранены тривиальные названия:

CH₂=CH–CH₂OH - аллиловый спирт

C₆H₅–CH₂OH - бензиловый спирт

OH   CH2OH - салициловый спирт

CH₂ (OH)–CH₂OH - этиленгликоль

CH₂ (OH) – CH (OH)–CH₂OH - глицерин

Для простых фенолов сохранены тривиальные названия:

OH     фенол

OH     CH3     о- ,м-, н-крезолы

CH3   OH   CH     CH3 CH3 тимол

OH OH   пирокатехин

OH     OH   резорцин

OH   OH гидрохинон

OH HO OH     пирогаллол

OH   HO OH   флороглюцин

Карбоновые кислоты

Карбоксильная группа в молекулах алифатических кислот должна получать наименьший номер и обозначается она суффиксом –овая кислота:

гептандиовая кислота

2,3-диметилгексановая кислота

Если группа –COOH рассматривается как заместитель (и не входит в родоначальную структуру), то она получает название –карбоновая кислота:

2-метилциклогексанкарбоновая кислота

Карбоксигруппу обозначают приставкой карбокси- если в соединении присутствует другая группа, имеющая преимущество в перечислении:

п-карбоксифенилуксусная кислота

1.3. Электронное строение органических соединений

В составе органических соединений чаще всего находят следующие элементы: C, O, H, N, S, P, которые получили название элементов – органогенов.

Электронное состояние углерода (невозбужденное) – 1S² 2S² 2P², при переходе в возбужденное состояние - 1S² 2S¹ 2P³.

Интерес представляют S и P орбитали, поскольку валентные электроны углерода и элементов-органогенов находятся на них.

Гибридизация орбиталей – смешение нескольких атомных орбиталей различной формы и близкой энергии с образованием такого же числа новых гибридных орбиталей, расположение которых в пространстве соответствует геометрии молекулы. Гибридные орбитали за счет более эффективного перекрывания образуют более прочные связи по сравнению с негибридными.

В органических соединениях углерод может находиться в одном из трех валентных состояний:

I валентное состояние – sp³-гибридизация, при которой происходит смешивание I S и 3 p-орбиталей, с возникновением 4-х гибридизованных орбиталей, расположенных в пространстве под углом 109º28´ по отношению друг к другу. Углерод в таком состоянии получил название тетрагонального атома углерода и встречается в предельных органических соединениях.

sp³-гибридные орбитали направлены в пространстве к вершинам тетраэдра (тетраэдрическая конфигурация).

II валентное состояние – sp²-гибридизация, при которой происходит смешивание I S и 2 p-орбиталей, с возникновением 3-х гибридизованных орбиталей, расположенных в одной плоскости под углом 120º по отношению друг к другу. Негибридизованная p-орбиталь расположена перпендикулярно плоскости гибридизованных орбиталей. Углерод в таком состоянии называют тригональным и встречается он в соединениях с двойными связями (атом C в алкенах, карбонильной и карбоксильной группах).

III валентное состояние – sp-гибридизация, при которой происходит смешивание I S и 1p-орбитали с возникновением 2-х гибридизованых орбиталей, расположенных в пространстве под углом 180º (линейно), а две негибридизованые p-орбитали расположены взаимно перпендикулярно друг другу. Sp-гибридизация характерна для углерода, связанного тройной связью или двумя двойными связями.

Если углерод образует одну углерод-углеродную связь, то его называют первичным, если две углерод-углеродные связи − то вторичным; если три углерод-углеродные связи – то третичным; если четыре углерод-углеродные связи – то четвертичным.

Например:

1-й и 5-й углероды – первичные; 4-й – вторичный; 3-й – третичный;

2-ой – четвертичный.

Кратные связи

Сопряжение

Молекулы с чередующимися двойными π и простыми σ связями называют сопряженными системами.

Сопряжение – это перераспределение электронной плотности в системе π – связей, приводящее к стабилизации молекулы.

Энергия сопряжения – это уменьшение энергии молекулы благодаря сопряжению.

Открытые системы сопряжения

Бутадиен-1,3, каждый из четырех углеродов в состоянии sp²-гибридизации, у каждого углерода – по одной свободной p-орбитали. В результате бокового перекрывания орбиталей происходит сопряжение двух локализованных двойных связей с образованием делокализованной четырехцентровой молекулярной орбитали. Этот вид сопряжения называют π-π-сопряжение. Е_{сопряж.} = 250 кДж/моль – 235 кДж/моль = 15 кДж/моль. Наблюдается выравненность электронных плотностей в результате делокализации электронов, создание единого электронного облака.

Делокализация электронов в циклических соединениях приводит к возникновению ароматических систем.

Правила ароматичности.

1. Наличие плоского цикла (кольца), состоящего из sp²-гибридизованных атомов, образующих σ-скелет (молекула копланарна).

2. Делокализация электронов, приводящая к образованию единого электронного облака (π-секстет).

3. Подчинение правилу Э. Хюккеля, т.е. электронное облако должно насчитывать (4n+2) π-электронов, где n=1,2,3,4…

4. Высокая степень термодинамической устойчивости (энергия сопряжения).

Гомоциклические ароматические системы.

бензол n=1 6ē делокализовано в π- секстет	нафталин n=2 10ē делокализовано
антрацен   фенантрен n=3 14ē делокализовано

Виды изомерии

структурная		пространственная
· цепи (скелета) · положения заместителей или кратных связей · взаимного расположения заместителей в кольце · межклассовая		· геометрическая · оптическая (стереоизомерия) · поворотная

Пространственная изомерия

· геометрическая – обусловлена различным расположением заместителей вокруг двойных связей или относительно плоскости циклов).

бутен-2-диовая кислота

транс-форма (фумаровая кислота)

цис-форма (малеиновая кислота)

Это конфигурационные изомеры, которые не могут быть превращены друг в друга без разрыва ковалентных связей.

· Оптическая изомерия

Стереоизомерия связана с различным расположением в пространстве атомов и атомных групп вокруг асимметрического углеродного атома.

Асимметрический атом углерода – это углерод, все четыре валентности которого замещены различными заместителями.

Хиральность – свойство предмета быть неидентичным своему зеркальному отображению (от греч. cheir – рука). Молекулы тоже могут быть хиральными и ахиральными.

Простейший случай хиральности – наличие в молекуле центра хиральности, которым является асимметрический атом углерода.

Вследствие хиральности некоторые молекулы существуют в виде пары стереоизомеров – энантиомеров.

Энантиомеры – это стереоизомеры, относящиеся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение, различные по абсолютной и относительной конфигурации, биологическим свойствам, но обладающие одинаковыми физическими и химическими свойствами.

Гомолиз связи

v Образующиеся промежуточные частицы – свободные радикалы

Гетеролитический (ионный)

Гетеролиз связи

v Образующиеся органические промежуточные частицы

- карбокатионы (с положительным зарядом на атоме углерода) или

- карбоанионы (с отрицательным зарядом на атоме углерода)

Классификация реакций

1. По характеру изменения связей в субстрате и реагенте

(а) Гомолитические реакции

(б) Гетеролитические реакции

2. По направлению (конечному результату)

v Изменение степени окисления углерода, выступающего в роли
реакционного центра

3. По числу молекул (частиц), участвующих в стадии, определяющей общую скорость реакции

Методики выполнения общих качественных реакций
на функциональные группы

Бромирование бромной водой

В пробирку поместите 2 капли бромной воды, добавьте 2–3 капли исследуемого раствора, встряхните пробирку.

Внешние признаки:

Наблюдается обесцвечивание желтого раствора бромной воды.

2. Реакция гидроксилирования (реакция Вагнера)

В пробирку поместите 2 капли 0,1н KMnO₄, добавьте 2–3 капли исследуемого раствора, встряхните пробирку.

Внешние признаки:

Наблюдается обесцвечивание розового раствора KMnO₄ и выпадение бурого осадка MnO₂.

Углеводы. Моносахариды.

40. Классификация, биологическая роль углеводов. Моносахариды. Стереоизомерия моносахаридов. D- и L-ряды, формулы Фишера. Энантиомерия, диастереомерия, эпимерия. Структура важнейших представителей пентоз и гексоз, производных моносахаридов: дезоксисахаров, аминосахаров.

41. Цикло-оксо (окси- оксо-) − таутомерия моносахаридов. На примере D-глюкозы и D-фруктозы формулы Хеуорса (пиранозы, фуранозы). Аномерия. Конформации моносахаридов, наиболее устойчивые конформации гексоз.

42. Реакционные центры ациклических и циклических форм моносахаридов, нуклеофильное замещение у аномерного центра в циклических формах моносахаридов. Механизм S_N. O- и N- гликозиды. Гидролиз гликозидов.

43. Реакции нуклеофильных центров моносахаридов: алкилирование и ацилирование. Гидролиз продуктов. Значение реакций для структурных исследований. Биологически важные фосфаты моносахаридов.

44. Окисление моносахаридов, в кислой нейтральной и щелочной средах, восстановительные свойства альдоз. Гликоновые, гликаровые, гликуроновые кислоты. Реакция эпимеризации моносахаридов, ендиольная форма. Восстановление моносахаридов в глициты (ксилит, сорбит, маннит).

Природные a-аминокислоты.

49. Классификация, стереохимия и строение природных a-аминокислот. Структура природных аминокислот: гидрофобных, гидрофильных, отрицательно и положительно заряженных.

50. Биосинтетические пути образования a-аминокислот из кетонокислот, реакции восстановительного аминирования и переаминирования. Пиридоксалевый катализ. Незаменимые аминокислоты.

51. Кислотно-основные свойства аминокислот, биполярный ион, ионные формы аминокислот в растворах, в зависимости от значения рН, изоэлектрическая точка. (Примеры).

52. Характерные и качественные реакции аминокислот, образование внутрикомплексных солей, нингидриновая, ксантопротеиновая реакции.

53. Реакции, лежащие в основе количественного анализа аминокислот: образование сложных эфиров, реакции с азотистой кислотой, формальдегидом, фенилизотиоцианатом. Реакционные центры, вступающие во взаимодействие, тип и механизм реакции.

54. Метаболизм аминокислот в организме: декарбоксилирование и переход к биогенным аминам, неокислительное и окислительное дезаминирование, трансаминирование. Реакции гидроксилирования.

Омыляемые липиды.

66. Классификация липидов, их биологическое значение. Простые липиды. Нейтральные жиры. Насыщенные и ненасыщенные природные высшие жирные кислоты, входящие в состав липидов. Особенности ненасыщенных жирных кислот. b-окисление высших жирных кислот.

67. Реакционные центры и свойства омыляемых простых и сложных липидов. Щелочной и кислотный гидролиз, реакции присоединения, окисления.

68. Сложные липиды. Фосфолипиды. Глицерофосфолипиды: фосфатидовая кислота, фосфатидилхолины, фосфатидилсерины. Сфингомиелины. Липидный бислой в структуре биологических мембран.

69. Пероксидное окисление фрагментов ненасыщенных жирных кислот в клеточных мембранах, его механизм. Роль пероксидного окисления липидов мембран в действии малых доз радиации на организм. Системы антиоксидантной защиты.

70. Сложные липиды. Гликолипиды: цереброзиды, ганглиозиды, их строение. Свойства, биологическая роль.

Библиографический список

1. Грандберг И. И. Органическая химия: учебник для студентов, обучающихся по агрохимическим специальностям. – М.: Дрофа, 2002. - 672 с.

2. Зурабян С. Е. Основы органической химии. М.: Дрофа, 2006. - 576 с.

3. Оганесян Э. Т. Важнейшие понятия и термины химии: справочное пособие. – М.: Высшая школа, 1993. - 352 с.

4. Проскурина И. К. Биохимия: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательство Владос-Пресс, 2004. - 70 с.

5. Солдатенков А. Т. Основы органической химии лекарственных веществ. М.: Мир; БИНОМ. Лаборатория занятий, 2007. - 191 с.

6. Сорочинская Е. И. Биоорганическая химия. Поли- и гетерофункциональные соединения. Биополимеры и их структурные компоненты. Учебное пособие. – СПб.: Издательство С.Петербургского университета, 1998. - 148 с.

7. Сорочинская Е. И. Биоорганическая химия. Биологически важные классы соединений. Учебное пособие. – СПб: Издательство С.Петербургского университета. - 1998.

8. Тюкавкина Н. А. Биоорганическая химия: учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2005. – 542 с.

9. Тюкавкина Н. А. Органическая химия. – м.: Дрофа, 2003. – Кн.1: Основной курс. – 640 с.

О.А. Журавская

ОСНОВЫ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Учебно-методическое пособие

для студентов медицинских вузов

Самара 2010

УДК

Ж 91

Рецензенты:

– кандидат химических наук, доцент А.А. Данилин;

– кандидат химических наук, доцент О.К. Шаховкина.

Журавская О.А. Основы биоорганической химии:Учебно-методическое пособие для студентов медицинских вузов. – Самара, НОУ ВПО «Самарский медицинский институт «РеаВиЗ», 2010 − 52 с.

Изучение биоорганической химии в медицинских вузах связано с усвоением большого объема материала при малом количестве аудиторных часов.

В учебном пособии изложены ключевые моменты биоорганической химии, материал представлен в текстуальной форме, таблицах, схемах и рисунках, что позволяет оптимизировать процесс запоминания.

Пособие предназначено для студентов медицинских вузов, обучающихся по специальностям «Лечебное дело» и «Стоматология» очной и очно-заочной формы обучения.

© НОУ ВПО СМИ «РеаВиЗ», 2010