биоорганика. Биоорганика_УчМетПос. Учебнометодическое пособие для студентов обучающихся по специальностям
 Скачать 6.58 Mb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный медицинский университет имени Н.Н. Бурденко» Министерства здравоохранения Российской Федерации Кафедра химии БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ учебно-методическое пособие для студентов обучающихся по специальностям: 31.05.01 «Лечебное дело» 31.05.02 «Педиатрия» УДК 547 (071) ББК 28.072 У 635 Биоорганическая химия : учебно-методическое пособие / Е.Е. Зотова, Е.И. Рябинина, Н.М. Овечкина [и др.] – Воронеж: Изд-во ВГМУ, 2019. – 82 с. Составители: Е.Е.Зотова; Е.И.Рябинина; Н.М.Овечкина; В.М.Клокова; Н.И.Пономарева Настоящее учебно-методическое пособие написано в соответствии с ФГОС ВО по дисциплине «Биоорганическая химия», специальностям: 31.05.01 «Лечебное дело», 31.05.02 «Педиатрия». Важная цель пособия – способствовать организации самостоятельной работы обучающихся. Для этого в пособии приведена краткая, но достаточная для получения знаний по основным классам биоорганических соединений теоретическая часть. В конце каждого из разделов приводится список контрольных вопросов, необходимый для подготовки к текущим и контрольным занятиям, а также задания для отработки практических навыков. Для самопроверки полученных знаний по каждой теме представлены тесты с ответами. Рецензенты: Зав. кафедрой фармакологии, доктор медицинских наук, доцент Бережнова Т.А. Зав. кафедрой биохимии, доктор медицинских наук, профессор Алабовский В.В. Печатается по решению Центрального методического совета ВГМУ им. Н.Н. Бурденко от 20.12.2019 (протокол № 2). © Е.Е.Зотова; Е.И.Рябинина; Н.М.Овечкина; В.М.Клокова; Н.И.Пономарева, 2019 ©ВГМУ, 2019 2 «Настоящая цель химии заключается не в изготовлении золота, а в приготовлении лекарств» Теофраст Парацельс СОДЕРЖАНИЕ стр Монофункциональные производные углеводородов: спирты, фенолы, тиолы 4 Карбоновые кислоты: моно-, ди- и высшие Гетерофункциональные и ароматические карбоновые кислоты 14 23 Аминокислоты. Пептиды. Белки 36 Простые и сложные липиды 49 Углеводы. Моно-, ди- и полисахариды 59 Нуклеиновые кислоты: состав, строение, биологическая роль 70 Ответы на тесты 80 Список литературы 82 3 МОНОФУНЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ: СПИРТЫ, ФЕНОЛЫ, ТИОЛЫ К спиртам и фенолам относят производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу, а в тиолах на сульфгидрильную группу, которые и определяют многие их физико-химические свойства. При этом углеводородный радикал тоже оказывает существенное влияние на их поведение, даже в пределах одного гомологического ряда (изменение количества атомов углеводорода в цепи приводит к изменению качества – к изменению не только физико- химических свойств, но и их влиянию на организм человека). Среди представителей этих классов соединений встречаются биологически важные соединения (например, глицерин и инозитол (многоатомные спирты), адреналин и норадреналин (производные пирокатехина), кофермент А и липоевая кислота (производные тиолов). Многие представители этих классов активно используются и в качестве лекарственных средств, а также как вспомогательные вещества в производстве, получении и хранении лекарственных препаратов. И, наконец, всем известное антисептическое действие некоторых спиртов, а также их вредное воздействие на организм. Многие из этих свойств могут быть объяснены с позиций биоорганической химии. И позволят на более глубоком, молекулярном уровне, понимать процессы, происходящие в живом организма, и предсказывать реакционную способность некоторых представителей данных классов соединений. Спирты Наличие гидроксильной группы в молекулах спиртов приводит к образованию электрофильного, нуклеофильного и кислотного центров , которые и обуславливают основные химические свойства спиртов: реакции, протекающие с замещением атома водорода в ОН-группе, так называемые кислотные свойства (взаимодействие с активными металлами, карбоновыми и неорганическими кислотами – реакция этерификации), реакции, протекающие с замещением ОН-группы, реакции дегидратации. Одно из важнейших свойств спиртов – окисление. В зависимости от строения спирта оно протекает по разным механизмам и может приводить к появлению токсичных альдегидов и кетонов: например, при окисление метанола в организме человека образуется высокотоксичный формальдегид. Схематично химические свойства спиртов можно представить: 4 Многоатомные спирты обладают более выраженными кислотными свойствами и вступают в реакции и с гидроксидами активным металлов и тяжелых металлов. Последняя реакция (с гидроксидом меди) является качественной на многоатомные спирты. С помощью реакции этерификации азотной кислотой получают применяемый в медицине как сосудорасширяющий препарат нитроглицерин. Низшие спирты, благодаря своей высокой дегидратирующей способности обладают обеззараживающим действием (этанол, ментол), при этом метанол опасен для здоровья человека. Многие спирты и их производные действуют на организм одурманивающе и используются как наркотические и анальгезирующие средства (авертин, диэтиловый эфир). Отдельные представители: Метиловый спирт (метанол, древесный спирт, СН 3 ОН) – сильный сосудистый и нервный яд. При приеме 15 мл метилового спирта поражается зрительный нерв и сетчатка глаза, в 50% случаев наступает частичная или полная потеря зрения, а также поражение блуждающего, слухового, а иногда и тройничного и обонятельного нервов. В организме метиловый спирт окисляется в муравьиный альдегид и муравьиную кислоту, которые и обусловливают токсическое действие метилового спирта. Смертельная доза 30-60 мл. 5 Этиловый спирт (этанол, винный спирт, С 2 Н 5 ОН) действует опьяняюще, а в больших дозах вызывает состояние, близкое к наркозу. Используется для приготовления настоек и в качестве обеззараживающего (антисептического) средства. При длительном приеме (у взрослых 5-10 лет, а в юношеском возрасте 1 год) возникает психологическая и физическая зависимость, которая называется хроническим алкоголизмом или алкогольной наркоманией. При больших концентрациях алкоголя блокируется центр дыхания в продолговатом мозге, состояние опьянения переходит в смерть. Смертельная доза этилового спирта 7-8 г на 1 кг веса тела. Бутиловые и амиловые спирты известны как основные компоненты сивушных масел. Обладают специфическим запахом и большой «одурманивающей силой» по сравнению с чистым этанолом. Острые и хронические отравления изоамиловым спиртом сопровождаются снижением и потерей слуха. Диэтиловый эфир (С 2 Н 5 -О-С 2 Н 5 ) применяется для ингаляционного наркоза, растираний и приготовления настоек и экстрактов. Часто используется как растворитель веществ животного и растительного происхождения. Диэтиловый эфир, применяемый для наркоза, должен быть особо чистым, не содержащим вредных примесей. При хранении диэтиловый эфир под влиянием солнечного света в присутствии кислорода воздуха окисляется, образуя пероксидные соединения, которые часто служат причиной взрывов при неосторожной работе с эфиром, а также уксусный альдегид, который токсичен. Этиленгликоль (этандиол, СН 2 ОН-СН 2 ОН) – токсичная высококипящая жидкость. Используется в технике для приготовления антифризов – жидкостей с низкой температурой замерзания, применяющихся для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, особенно в зимнее время. Глицерин (пропантриол, СН 2 ОН-СНОН-СН 2 ОН) – нетоксичная, вязкая, бесцветная жидкость сладкого вкуса. Широко распространен в природе; входит в состав большинства омыляемых липидов. Применяется как компонент мазей для смягчения кожи. Тимол (2-изопропил-5-метилфенол) применяется в медицине как противоглистное средство; в качестве антисептического средства для дезинфекции полости рта, зева, носоглотки; в стоматологической практике — для обезболивания дентина; в фармацевтической промышленности — в качестве консерванта. Валидол – раствор ментола в ментиловом эфире изовалериановой кислоты. Применяется при стенакордии и неврозах. 6 Фенолы Одноатомные фенолы (аренолы): гидроксибензол, устар. карболовая кислот (5 % раствор в воде — антисептик; основа лекарственных веществ, красителей): Фенолы обладают кислотными свойствами. В отличие от спиртов в фенолах увеличивается поляризация связи О - Н 7 В молекуле фенола неподеленные пары О вступают во взаимодействие (сопряжение) с π-электронами бензольного кольца. В результате поляризация ОН-группы усиливается и отрыв атома Н облегчается. Фенол - слабая кислота, слабее, чем Н 2 СО 3 , СН 3 СООН. Химические свойства фенола схематично можно представить: Отдельные представители: Фенол (карболовая кислота, С 6 Н 5 ОН) – первый антисептик, введенный в хирургию. Токсичен и может вызвать ожог кожи. 5% раствор фенола служит эталоном, с которым сравнивают бактерицидность всех других препаратов. Фенол широко используется для производства пластмасс, лекарственных средств, красителей, взрывчатых веществ. При отравлении фенолом моча окрашивается в оливково-черный цвет. Тимол ( п-метилизопропилфенол) - противоглистное средство; антисептическое для дезинфекции полости рта и обезболивания дентина; в фармацевтической промышленности — в качестве консерванта. Лизол - дезинфицирующая жидкость содержит о-фенилфенол и 2-бензил–4- хлорфенол, которые обладают бактерицидным действием. Пирокатехин - в производстве норадреналина и адреналина. Норадреналин является главным медиатором симпатической нервной системы — той части мозга и нервных волокон, которые управляют нашими внутренними органами во время стресса, физической и эмоциональной нагрузки, затрат энергии. Выделяясь в симпатических синапсах, норадреналин усиливает работу сердца, сужает большинство сосудов. Он же расширяет бронхи (чтобы мы лучше дышали), тормозит желудочно-кишечный тракт (не время тратить ресурсы на переваривание пищи) и так далее. Норадреналин применяется в случае необходимости быстрого восстановления артериального давления при его остром снижении. Адреналин (метиламиноэтанолпирокатехин)- Гормон надпочечников, сужает кровеносные сосуды. Применяется как кровеостанавливающее средство. Помогает при 8 остановке сердца, анафилаксии, гипогликемии (вследствие передозировки инсулина). Резорцин менее ядовит, чем пирокатехин и гидрохинон. Антисептическое средство. n-аминофенол - промежуточный продукт в синтезе парацетамола. Парацетамол - анальгетик и антипиретик, оказывает жаропонижающее действие. Тиолы Тиолы (или меркаптаны) содержат тиольную (меркаптановую) группу - SН. Будучи производными сероводорода, тиолы проявляют слабые кислотные свойства, однако их кислотность значительно больше (на 5 – 6 порядков), чем спиртов. Как кислоты они взаимодействуют с металлами, оксидами, гидроксидами металлов и солями. Например: С 2 Н 5 SH + HgO = (C 2 H 5 S) 2 Hg + H 2 O Как и спиртам им свойственная реакции этерификации: RSH + R´COOH → R´COSR + H 2 O Сложные тиоэфиры легко гидролизуются и взаимодействуют со спиртами (реакция переэтерификации): R´COSR + H 2 O → RSH + R´COOH R´COSR + R´´OH → RSH + R´COOR´´ Самый распространенный тиол нашего организма: кофермент А СоАSH. В его состав входят: аденозиндифосфат, пантотеновая кислота и 2- аминоэтантиол, который и обуславливает его биологическую роль – перенос ацильных групп (СН 3 –СО-), например, в цикл Кребса. В организме кофермент А участвует в обмене веществ: активируя карбоновые кислоты, превращает их в реакционноспособные сложн. тиоэфиры (ацилкофермент А). Еще одним важным свойством тиолов является их способность вступать в окислительно-восстановительные реакции: Окисление тиолов слабыми окислителями приводит к образованию дисульфидов: окисление 2RSH ↔ R - S – S – R + 2Н + восстановление Тиол-дисульфидная система составляет сопряженную окислительно- восстановительную пару, в которой под действием слабых окислителей и слабых восстановителей происходят взаимные превращения. Данный процесс используется для поддержания окислительно-восстановительного гомеостаза в организме и в работе антиоксидантной буферной системы. Тиолсодержащие компоненты антиоксидантной буферной системы, 9 принимая на себя действия окислителя, защищают белки со свободными тиольными группами от окисления. Отдельные представители: Глютатион и дигидролипоевая кислота являются компонентами антиоксидантной буферной системы организма Тиопрепараты, применяемые для увеличения емкости антиоксидантной системы организма и в качестве антидотов при отравлении ионами тяжелых металлов: Ацетилцистеин Унитиол Сукцимер Нарушение окислительно-восстановительного гомеостаза наблюдается при радиоактивном облучении. Меркамин (аминотиол) – радиопротектор, который используют для предотвращения тяжелых последствий радиоактивного облучения, которое также приводит к нарушению окислительно-восстановительного гомеостаза. Контрольные вопросы и задания: 1. Классификация спиртов по характеру углеродного скелета и по количеству функциональных групп? 2. Способы получения спиртов. 3. Гомологический ряд одноатомных предельных спиртов (первые 6). 4. Формулы и названия простейших представителей непредельных одноатомных спиртов. 5. Приведите примеры наиболее распространенных двух-, трех-, пяти- и шестиатомных спиртов ациклического ряда. Приведите пример шестиатомного циклического спирта. 6. Химические свойства спиртов: образование алкоголятов, оксониевых солей. Нуклеофильные свойства спиртов: получение простых и сложных эфиров с неорганическими и карбоновыми кислотами. Использование сложных эфиров минеральных кислот в медицине и распространение в организме. Реакции окисления первичных, вторичных спиртов и диолов. Реакции дегидратации спиртов. 10 7. Особенности химических свойств многоатомных спиртов. Качественная реакция на многоатомные спирты. 8. Использование в медицинской практике этилового спирта и глицерина. Механизм антисептического действия. 9. Объясните, почему метиловый спирт проявляет ядовитые свойства. 10.Приведите схему реакции окисления в организме этилового спирта и этиленгликоля. Почему этиленгликоль ядовит? В чем причина токсического действия этилового спирта? 11.Отдельные представители: глицерин, нитроглицерин, диэтиловый эфир, валидол (формулы, биологическая роль (если есть), применение в медифине). 12.Напишите уравнения реакций получения: диэтилового эфира; изопропилметилового эфира; изобутилпропионата; уксусно-этилового эфира. Укажите условия протекания данных реакций. 13.Химические свойства фенола. 14.Сравнение химических свойств фенола со свойствами одноатомных спиртов. Ответ подтвердите уравнениями реакций. 15.Приведите формулы двухатомных фенолов. Дайте им названия. Распространение двухатомных фенолов и их производных в организме, использование в медицинской практике. 16.Приведите способы получения фенолов. 17.Рассмотрите химические реакции получения из фенолов: простых эфиров, сложных эфиров, галогенопроизводных аренов. 18.Реакции замещения в бензольном ядре фенолов: бромирования, нитрования, сульфирования, алкилирования спиртами, карбоксилирования, ацилирования фенолов (фенолфталеин). 19.Реакции окисления фенолов и нафтолов. 20.Лекарственные препараты на основе фенолов. Назовите и напишите формулы. 21.Напишиите реакцию получения парацетамола из п-аминофенола. 22.Антисептические свойства фенолов. Химизм действия. 23.Тиолы. Номенклатура, строение. 24.Кислотные свойства тиолов. Влияние длины углеводородного радикала на кислотные свойства тиолов. 25.Напишите пример реакции этерификации и переэтерификации тиолов. 26.Кофермент А. Химическая природа. Биологическая роль. 27.Напишите реакцию этерификации и переэтерификации с участием СоАSH. 28.Проведите аналогию и найдите отличия в химических свойствах тиолов и предельных спиртов. 29.Окисление тиолов. Антиоксидантная буферная система организма. 30.Применение тиолов в медицинской практике. На чем основано применение в медицинской практике тиолов? Химизм действия. 11 Тесты для самопроверки: 1. Вторичным является спирт 1) СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 – ОН 3) СН 3 – СН – СН 2 – СН 3 | ОН СН 3 | 2) СН 3 – С – ОН | СН 3 4) СН 3 – СН – СН 2 – ОН | СН 3 2. Этиловый спирт безгранично растворим в воде в связи с тем, что 1) имеет только одну гидроксильную группу 2) его молекула неполярна 3) является жидким веществом 4) образует с молекулами воды водородные связи 3. Фенол является 1) сильным основанием 3) слабым основанием 2) слабой кислотой 4) сильной кислотой 4. Многоатомные спирты можно обнаружить 1) раствором KМnO 4 3) щелочным раствором Cu(ОН) 2 2) Ag 2 О (в аммиачном растворе) 4) бромной водой 5. Этанол нельзя получить по следующей реакции 1) С 2 Н 5 Cl + NaOH (водн.р-р ) 3) С 2 Н 5 Cl + NaOH (спирт.р-р ) 2) Н 2 С=СН 2 + Н 2 О (H 2 SO 4 ) 4) С 6 Н 12 О 6 ферменты 6. Наличие группы - OH в составе фенола 1) облегчает протекание реакции замещения 2) затрудняет протекание реакции замещения 3) не влияет на протекание реакции замещения 4) способствует протеканию реакции присоединения 7. Для обнаружения фенола используют водный раствор 1) FeCl 3 2) HNO 3 3) NaOH 4) HСl 8. В порядке усиления кислотных свойств расположены вещества 1) фенол - этанол - глицерин 2) этанол - глицерин - фенол 3) глицерин - этанол - фенол 4) глицерин - фенол - этанол 9.Отличить фенол от этанола можно с помощью 1) Na 2) NaCl 3) Br 2 (водн.) 4) НСl 10. В отличие от метанола фенол 1) вступает в реакции поликонденсации 2) взаимодействует с альдегидами 3) при окислении образует формальдегид 4) вступает в реакции этерификации 11. Для фенола |