лекція 1
Біоорганічна хімія (БОХ), її значення у медицині
БОХ - це наука, що вивчає біологічну функцію органічних речовин в організмі.
БОХ з'явилася у другій половині ХХ століття. Об'єктами її вивчення служать біополімери, біорегулятори та окремі метаболіти.
Біополімери – високомолекулярні природні сполуки, що є основою всіх організмів. Це пептиди, білки, полісахариди, нуклеїнові кислоти (НК), ліпіди та ін.
Біорегулятори – сполуки, що хімічно регулюють обмін речовин. Це вітаміни, гормони, антибіотики, алкалоїди, лікарські препарати та ін.
Знання будови та властивостей біополімерів та біорегуляторів дозволяє пізнати сутність біологічних процесів. Так, встановлення будови білків і ПК дозволило розвинути уявлення про матричний біосинтез білка та роль НК у збереженні та передачі генетичної інформації.
БОХ грає велику роль у встановленні механізму дії ферментів, ліків, процесів зору, дихання, пам'яті, нервової провідності, м'язового скорочення та ін.
Основна проблема БОХ – це з'ясування взаємозв'язку структури та механізму дії сполук.
БОХ ґрунтується на матеріалі органічної хімії.
ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
Це наука, що вивчає сполуки вуглецю. Нині налічується ~ 16 млн. органічних речовин.
Причини різноманітності органічних речовин.
1. З'єднання атомів З один з одним та ін елементами періодичної системи Д. Менделєєва. При цьому утворюються ланцюги та цикли:
Прямий ланцюг Розгалужений ланцюг
Тетраедрична Площинна конфігурація
конфігурація атома С атома С
2. Гомологія - це існування речовин з близькими властивостями, де кожен член гомологічного ряду відрізняється від попереднього на групу
-СН 2 -. Наприклад, гомологічний ряд граничних вуглеводнів:
3. Ізомерія – це існування речовин, що мають однаковий якісний та кількісний склад, але різна будова.
А.М. Бутлеров (1861) створив теорію будови органічних сполук, яка й донині є науковою основою органічної хімії.
Основні положення теорії будови органічних сполук:
1) атоми в молекулах з'єднані один з одним хімічними зв'язками відповідно до їх валентності;
2) атоми в молекулах органічних сполук з'єднуються між собою у певній послідовності, що зумовлює хімічну будову молекули;
3) властивості органічних сполук залежать не тільки від числа і природи атомів, що входять до їх складу, але і від хімічної будови молекул;
4) у молекулах існує взаємний вплив атомів як пов'язаних, і безпосередньо друг з одним не пов'язаних;
5) хімічну будову речовини можна визначити в результаті вивчення її хімічних перетворень і, навпаки, будовою речовини можна охарактеризувати її властивості.
Розглянемо деякі положення теорії будови органічних сполук.
Структурна ізомерія
Вона ділиться:
1) Ізомерія ланцюга
2) Ізомерія положення кратного зв'язку та функціональних груп
3) Ізомерія функціональних груп (міжкласова ізомерія)
Формули Ньюмена
Циклогексан
Форма "крісла" більш енергетично вигідна, ніж "ванна".
Конфігураційні ізомери
Це стереоізомери, молекули яких мають різне розташування атомів у просторі без урахування конформацій.
За типом симетрії всі стереоізомери поділяються на енантіомери та діастереомери.
Енантіомери (оптичні ізомери, дзеркальні ізомери, антиподи) – це стереоізомери, молекули яких відносяться між собою як предмет та несумісне з ним дзеркальне відображення. Це явище називається енантіомерією. Усі хімічні та фізичні св-ва енантіомерів однакові, крім двох: обертання площини поляризованого світла (у приладі поляриметрі) та біологічна активність. Умови енантіомерії: 1) атом знаходиться в стані sp 3 -гібридизації; 2) відсутність будь-якої симетрії; 3) наявність асиметричного (хірального) атома, тобто. атома, що має чотири різних заступників.
Багато окси-і амінокислоти мають здатність обертати площину поляризації променя світла вліво або вправо. Це явище називається оптичною активністю, а самі молекули оптично активними. Відхилення променя світла вправо відзначають знаком "+", вліво - "-" і вказують кут обертання в градусах.
Абсолютну конфігурацію молекул визначають складними фізико-хімічними методами.
Відносну конфігурацію оптично активних сполук визначають шляхом порівняння зі стандартом гліцеринового альдегіду. Оптично активні реч-ва, що мають конфігурацію правообертаючого або лівообертаючого гліцеринового альдегіду (М. Розанов, 1906), наз-ся реч-вами D-і L-ряду. Рівна суміш право-і лівообертальних ізомерів однієї сполуки називається рацематом і оптично неактивна.
Дослідження показали, що знак обертання світла не можна пов'язувати з приналежністю речей до D- і L-рядів, його визначають лише експериментально в приладах - поляриметрах. Наприклад, L-молочна к-та має кут обертання +3,8 про, D-молочна к-та - -3,8 про.
Енантіомери зображують за допомогою формул Фішера.
L-ряд D-ряд
Серед енантіомерів можуть бути симетричні молекули, що не мають оптичної активності, і називаються мезоізомерами.
 |
| Наприклад: Винна до-та |
| D – (+) – ряд L – (–) – ряд | Мезовинна к-та |
Рацемат – виноградна к-та
Оптичні ізомери, що не є дзеркальними ізомерами, відрізняються конфігурацією декількох, але не всіх асиметричних атомів С, що володіють різними фізичними та хімічними св-вами, зв-ся s- ді-а-стереоізомерами.
p-Діастереоміри (геометричні ізомери) – це стереоміри, що мають у молекулі p-зв'язок. Вони зустрічаються у алкенів, ненасичених вищих карбонових до-т, ненасичених дикарбонових до-т
Біологічна активність органічних речей пов'язана з їх будовою.
Наприклад:
Цис-бутендіова до-та, Транс-бутендіова до-та,
малеїнова к-та - фумарова к-та - не отруйна,
дуже отруйна міститься в організмі
Усі природні ненасичені вищі карбонові к-ти є цис-ізомерами.
ЛЕКЦІЯ 2
Сполучені системи
У найпростішому випадку пов'язані системи - це системи з подвійними і одинарними зв'язками, що чергуються. Вони можуть бути відкритими та закритими. Відкрита система є у дієнових вуглеводнях (УВ).
Приклади:СН 2 = СН - СН = СН 2
Бутадієн-1, 3
ХлоретенСН 2 = СН - Сl
Тут відбувається поєднання p-електронів з р-електронами. Цей вид поєднання зв-ся р, p-спряженням.
Закрита система є в ароматичних УВ.
З 6 Н 6
Ароматичність
Це поняття, що включає різні властивості ароматичних сполук. Умови ароматичності: 1) плоский замкнутий цикл, 2) всі атоми С знаходяться в sp 2 – гібридизації, 3) утворюється єдина сполучена система всіх атомів циклу, 4) виконується правило Хюккеля: “У сполученні беруть участь 4n+2 p-електронів, де n = 1, 2, 3...”
Найпростіший представник ароматичних УВ – бензол. Він задовольняє всім чотирма умовами ароматичності.
Правило Хюккеля: 4n+2=6, n=1.
Взаємний вплив атомів у молекулі
У 1861 р. російський учений А.М. Бутлеров висловив положення: "Атоми в молекулах взаємно впливають один на одного". В даний час цей вплив передається двома шляхами: індуктивним та мезомерним ефектами.
Індуктивний ефект
Це передача електронного впливу ланцюга s-зв'язку. Відомо, що зв'язок між атомами з різною електронегативністю (ЕО) поляризований, тобто. зміщена до більш ЕО атома. Це призводить до появи атомів ефективних (реальних) зарядів (d). Таке електронне зміщення називається індуктивним і позначається буквою I і стрілкою ®.
, X = Наl -, АЛЕ -, НS -, NН 2 - та ін.
Індуктивний ефект може бути позитивним чи негативним. Якщо заступник Х притягує електрони хімічного зв'язку сильніше, ніж атом Н, він виявляє – I. I(Н) = Про. У прикладі Х виявляє – I.
Якщо заступник Х притягує електрони зв'язку слабше, ніж атом Н, він виявляє +I. Усі алкіли (R = СН 3 -, З 2 Н 5 - і т.д.), Ме n + виявляють +I.
Мезомірний ефект
Мезомірний ефект (ефект сполучення) - це вплив заступника, що передається по сполученій системі p-зв'язків. Позначається літерою М та зігнутою стрілкою. Мезомірний ефект може бути "+" або "-".
Вище було сказано, що є два види пари p, p і р, p.
Заступник, що притягує електрони з сполученої системи, виявляє -М і називається електроноакцептором (ЕА). Це заступники, які мають дві-
 |
ний зв'язок та ін.
Заступник, що віддає електрони в сполучену систему, виявляє +М і називається електронодонором (ЕД). Це заступники з одинарними зв'язками, які мають неподілену електронну пару (та ін.).
Таблиця 1 Електронні ефекти заступників
| Заступники | Орієнтанти С 6 Н 5 -R | I | М |
| Аlk (R-): СН 3 -, З 2 Н 5 -... | Орієнтанти I роду: направляють ЕД заступники в орто-і пара-положення | + | |
| - Н 2 , -NНR, -NR 2 | – | + | |
| - Н, - Н, - R | – | + | |
| -Н L | – | + | |
|
лекція 3 Кислотність та основність Для характеристики кислотності та основності органічних сполук застосовують теорію Бренстеда. Основні положення цієї теорії: 1) Кислота - це частка, що віддає протон (донор Н+); основа – це частка, яка приймає протон (акцептор Н+). 2) Кислотність завжди характеризується у присутності підстав та навпаки. А – Н + : В А – + В – Н + осн-ие до-та СН 3 СООН + НОН СН 3 СОО – + Н 3 О + К-та Осн-ие Сполучене Сполучене осн-ие до-та НNО 3 + СН 3 СООH СН 3 СООН 2 + + NО 3 - К-та Осн-ие Сполучена Сполучене до-та осн-ие Кислоти Бренстеду 3) К-ти Бренстеда діляться на 4 види залежно від кислотного центру: SН к-ти (тіоли), ВІН к-ти (спирти, феноли, карбонові к-ти), N-к-ти (аміни, аміди), СН к-ти (УВ). У цьому рядку зверху вниз кислотність зменшується. 4) Сила к-ти визначається стабільністю аніону, що утворюється. Чим стабільніший аніон, тим сильніший до-та. Стабільність аніону залежить від ділалізації (розподілу) «-» заряду по всій частинці (аніону). Чим більше справакалізовано «-» заряд, тим стабільніший аніон і сильніший к-та. Делокалізація заряду залежить: a) від електронегативності (ЕО) гетероатома. Чим більше ЕО гетероатома, тим сильніша відповідна к-та. Наприклад: R - ВІН і R - NН 2 Спирти сильніші до-ти, ніж аміни, т.к. ЕО (О) > ЕО (N). б) від поляризованості гетероатома. Чим більше поляризуемість гетероатома, тим сильніша відповідна к-та. Наприклад: R - SН і R - ВІН Тіоли сильніші до-ти, ніж спирти, т.к. атом S більш поляризований, ніж атом. в) від характеру заступника R (довжини його, наявність пов'язаної системи, ділокалізацію електронної щільності). Наприклад: СН 3 - ВІН, СН 3 - СН 2 - ВІН, СН 3 - СН 2 - СН 2 - ВІН Кислотність<, т.к. увеличивается длина радикала
СН 3 - ВІН, С 6 Н 5 - ВІН, Сила до-ти збільшується Феноли є сильнішими к-тами, ніж спирти з допомогою р, p-спряження (+М) групи –ОН.
Крім того, карбоксилат-аніон більш стабільний, ніж аніон спирту за рахунок р,p-спряження в карбоксильній групі.
Наприклад: р-нітрофенол сильніша до-та, ніж р-амінофенол, т.к. група -NО 2 є ЕА. СН 3 -СООН ССl 3 -СООН рК 4,7 рК 0,65 Трихлороцтова к-та набагато сильніше СН 3 СООН з допомогою – I атомів Сl як ЭА. Мурашина к-та Н–СООН сильніша за СН 3 СООН за рахунок +I групи СН 3 – оцтової к-ти. д) від характеру розчинника. Якщо розчинник є добрим акцептором протонів Н + , то сила Підстави Бренстеда 5) Вони поділяються на: а) p-підстави (з'єднання з кратними зв'язками); б) n-підстави (амонієві, що містять атом , оксонієві, що містять атом , сульфонієві, що містять атом ) Сила підстави визначається стабільністю катіону, що утворюється. Чим стабільніший катіон, тим сильніша основа. Інакше кажучи, сила підстави тим більше, що менш міцна зв'язок з гетероатомом (О, S, N), мають вільну електронну пару, атаковану Н + . Стабільність катіона залежить від тих самих чинників, як і стабільність аніону, але із зворотним действием. Усі чинники, що посилюють кислотність, зменшують основність. Найсильнішими основами є аміни, т.к. атом азоту має меншу ЕО в порівнянні з О. При цьому вторинні аміни сильніші підстави, ніж первинні, третинні аміни слабші вторинних за рахунок стеричного фактора, що ускладнює доступ протона до N.
Ароматичні аміни слабші основи, ніж аліфатичні, що пояснюється +М групи -NН 2 . Електронна пара азоту, беручи участь у поєднанні, стає малорухливою. Стабільність парної системи ускладнює приєднання Н + . У сечовині NН 2 -СО- NН 2 присутній ЕА група > С = О, яка значно знижує основні св-ва і сечовина утворює солі тільки з одним еквівалентом к-ти. Т.ч., чим сильніше до-та, тим слабше утворене нею основа і навпаки. Спирти Це похідні ПВ, у яких один або кілька атомів Н заміщені на групу-ОН. Класифікація: I. За кількістю груп ВІН розрізняють одноатомні, двоатомні та багатоатомні спирти: СН 3 -СН 2 -ВІН Етанол Етиленгліколь Гліцерин
ІІ. За характером R розрізняють: 1) граничні, 2) ненасичені, 2) СН 2 = СН-СН 2 -ВІН Алліловий спирт
ретинол (вітамін А) та холестерин
вітаміноподібне в-во |
При однаковому кислотному центрі сила спиртів, фенолів та карбонових к-т не однакова. Наприклад,
Зв'язок О-Н більше поляризується у фенолах. Феноли можуть взаємодіяти навіть із солями (FеС1 3) – якісна реакція на феноли. Карбонові 
г) від запровадження заступників у радикал. ЕА замісники збільшують кислотність, ЕД замісники зменшують кислотність.
3) До ненасичених циклічних спиртів відносяться:
ІнозитІІІ. За положенням гр. -ВІН розрізняють первинні, вторинні та третинні спирти.
IV. За кількістю атомів розрізняють низькомолекулярні і високомолекулярні.
СН 3 –(СН 2) 14 –СН 2 –ВІН (З 16 Н 33 ОН) СН 3 –(СН 2) 29 –СН 2 ОН (З 31 Н 63 ОН)
Цетиловий спирт Мирициловий спирт
Цетилпальмітат – основа спермацету, мірицилпальмітат міститься у бджолиному воску.
Номенклатура:
Тривіальна, раціональна, МН (корінь+закінчення «ол»+арабська цифра).
Ізомерія:
ланцюга, положення гр. -ВІН, оптична.
Будова молекули спирту
СН-кислотний центр Nu
Електрофільний Центр Кислотний
центр основності центр
Р-ції окиснення
1) Спирти – слабкі кислоти.
2) Спирти – слабкі підстави. Приєднують Н+ лише від сильних кислот, але вони сильніші за Nu.
3) -I ефект гр. -ВІН збільшує рухливість Н у сусіднього вуглецевого атома. Вуглець набуває d+ (електрофільний центр, S Е) і стає центром нуклеофільної атаки (Nu). Зв'язок С-О рветься легше, ніж Н-О, тому характерними для спиртів явл-ся р-ції S N . Вони, зазвичай, йдуть у кислому середовищі, т.к. протонування атома кисню збільшує d+ атома вуглецю та полегшує розрив зв'язку. До цього типу відносяться р-ції утворення ефірів, галогенопроізводних.
4) Зміщення електронної щільності від Н у радикалі призводить до появи СН-кислотного центру. У цьому випадку йдуть р-ції окислення та елімінування (Е).
Фізичні св-ва
Нижчі спирти (З 1 –З 12) – рідини, вищі – тверді вещ-ва. Багато св-ва спиртів пояснюються утворенням Н-зв'язку:
Хімічні св-ва
I. Кислотно-основні
Спирти – слабкі амфотерні сполуки.
2R–ОН + 2Nа ® 2R–ОNа + Н 2
Алкоголят
Алкоголяти легко гідролізуються, що показує – спирти слабші, ніж вода:
R–ОNа + НОН ® R–ОН + NaОН
Основний центр у спиртах – гетероатом О:
СН 3 -СН 2 -ОН + Н + ® СН 3 -СН 2 - -Н ® СН 3 -СН 2 + + Н 2 ОЯкщо р-ція йде з галогеноводородами, то приєднуватися буде галогенід-іон: СН 3 -СН 2 + + Сl - ® СН 3 -СН 2 Сl
НС1 RОН R-СООН NН 3 З 6 Н 5 ОNа
С1 - R-О - R-СОО - NН 2 - С 6 Н 5 Про -
Аніони в таких р-ціях виступають як нуклеофіли (Nu) за рахунок «-» заряду або неподіленої електронної пари. Аніони є сильнішими основами та нуклеофільними реагентами, ніж самі спирти. Тому на практиці для отримання простих і складних ефірів використовуються алкоголяти, а не самі спирти. Якщо нуклеофіл є інша молекула спирту, то вона приєднується до карбокатіону:
|
Це р-ція алкілування (введення алкілу R молекулу).
Замістити -ВІН гр. на галоген можна за дії РСl 3 , РСl 5 і SОСl 2 .
За таким механізмом легше реагують третинні спирти.
Р-цією S Е по відношенню до молекули спирту є р-ція утворення складних ефірів з органічними та мінеральними к-тами:
R – О Н + Н О – R – О – + Н 2 О
Складний ефір
Це р-ція ацилювання - введення ацилу в молекулу.
СН 3 -СН 2 -ОН + Н + СН 3 -СН 2 - -Н СН 3 -СН 2 +При надлишку Н 2 SО 4 і вищій температурі, ніж у разі р-ції утворення простих ефірів, йде регенерація каталізатора і утворюється алкен:
СН 3 -СН 2 + + НSО 4 - ® СН 2 = СН 2 + Н 2 SО 4
Легше йде р-ция Е третинних спиртів, складніше для вторинних і первинних, т.к. в останніх випадках утворюються менш стабільні катіони. У цих р-ціях виконується правило А. Зайцева: «При дегідратації спиртів атом Н відщеплюється від сусіднього атома з меншим вмістом атомів Н».
СН 3 -СН = СН -СН 3
Бутанол-2
В організмі гр. -ВІН перетворюється на легкоїду шляхом утворення ефірів з Н 3 РО 4:
СН 3 -СН 2 -ВІН + НО-РО 3 Н 2 СН 3 -СН 2 -ОРО 3 Н 2IV. Р-ції окиснення
1) Первинні та вторинні спирти окислюються СuО, розчинами КМnО 4 , К 2 Сr 2 Про 7 при нагріванні з утворенням відповідних карбонілсодержащих сполук:
Нітрогліцерин – безбарвна масляниста рідина. Як розбавлених спиртових розчинів (1%) застосовується при стенокардії, т.к. має судинорозширювальну дію. Нітрогліцерин - сильна вибухова речовина, здатна вибухати від удару або при нагріванні. При цьому в малому обсязі, який займає рідку речовину, миттєво утворюється дуже великий обсяг газів, що викликає сильну вибухову хвилю. Нітрогліцерин входить до складу динаміту, пороху.
Представники пентитів та гекситів – ксиліт та сорбіт – відповідно, п'яти- та шестиатомні спирти з відкритим ланцюгом. Нагромадження -ОН груп веде до появи солодкого смаку. Ксиліт та сорбіт – замінники цукру для хворих на діабет.
Гліцерофосфати – структурні фрагменти фосфоліпідів, що застосовуються як загальнозміцнюючий засіб.
Бензиловий спирт
Ізоміри положення
, антибіотики, феромони, сигнальні речовини, біологічно активні речовини рослинного походження, а також синтетичні регулятори біологічних процесів (лікарські препарати, пестициди та ін.). Як самостійна наука сформувалася у другій половині XX століття на стику біохімії та органічної хімії та пов'язана з практичними завданнями медицини, сільського господарства, хімічної, харчової та мікробіологічної промисловості.
Методи
Основний арсенал складають методи органічної хімії, для вирішення структурно-функціональних завдань залучаються різноманітні фізичні, фізико-хімічні, математичні та біологічні методи.
Об'єкти вивчення
- Біополімери змішаного типу
- Природні сигнальні речовини
- Біологічно активні речовини рослинного походження
- Синтетичні регулятори (лікарські препарати, пестициди тощо).
Джерела
- Овчинніков Ю. А.. – М.: Просвітництво, 1987. – 815 с.
- Бендер М., Бергерон Р., Коміяма М.
- Дюга Р., Пенні До.Біоорганічна хімія. - М: Мир, 1983.
- Тюкавкіна Н. А., Бауков Ю. І.
Див. також
Напишіть відгук про статтю "Біоорганічна хімія"
Уривок, що характеризує біоорганічна хімія
- Ma chere, il y a un temps pour tout, - сказала графиня, прикидаючись строгою. - Ти її все балуєш, Elie, - додала вона чоловікові.– Bonjour, ma chere, je vous felicite, [Здрастуйте, моя люба, вітаю вас,] – сказала гостя. - Quelle delicuse enfant! [Яке чарівне дитя!] – додала вона, звертаючись до матері.
Чорноока, з великим ротом, некрасива, але жива дівчинка, зі своїми дитячими відкритими плічками, які, стискаючись, рухалися у своєму корсажі від швидкого бігу, зі своїми чорними кучерями, що збилися назад, тоненькими оголеними руками і маленькими ніжками в мереживних баштанках і була у тому милому віці, коли дівчинка вже не дитина, а дитина ще не дівчина. Вивернувшись від батька, вона підбігла до матері і, не звертаючи жодної уваги на її суворе зауваження, сховала своє розчервонене обличчя в мереживах материнської мантильї і засміялася. Вона сміялася чомусь, говорячи уривчасто про ляльку, яку вийняла з-під спіднички.
– Бачите?… Лялька… Мімі… Бачите.
І Наталя не могла більше говорити (їй все смішно здавалося). Вона впала на матір і розреготалася так голосно і дзвінко, що всі, навіть манірна гостя, насильно засміялися.
- Ну, іди, іди зі своїм виродком! - сказала мати, вдавано сердито відштовхуючи дочку. - Це моя менша, - звернулася вона до гості.
Наташа, відірвавши на хвилину обличчя від мереживної косинки матері, глянула на неї знизу крізь сльози сміху і знову сховала обличчя.
Гостя, змушена милуватися сімейною сценою, вважала за потрібне взяти в ній якусь участь.
- Скажіть, моя люба, - сказала вона, звертаючись до Наталки, - як же вам доводиться ця Мімі? Дочка, правда?
Наталці не сподобався тон поблажливості до дитячої розмови, з якою гостя звернулася до неї. Вона нічого не відповіла і серйозно подивилася на гостю.
Тим часом все це молоде покоління: Борис – офіцер, син княгині Ганни Михайлівни, Микола – студент, старший син графа, Соня – п'ятнадцятирічна племінниця графа, і маленький Петруша – менший син, всі розмістилися у вітальні і, мабуть, намагалися утримати у межах пристойності пожвавлення та веселість, якими ще дихала кожна їхня риса. Видно було, що там, у задніх кімнатах, звідки вони всі так стрімко прибігли, у них були веселіші розмови, ніж тут про міські плітки, погоду і comtesse Apraksine. [про графину Апраксину.] Зрідка вони поглядали один на одного і ледве утримувалися від сміху.
Гродненський державний медичний університет», кандидат хімічних наук, доцент;
Доцент кафедри загальної та біоорганічної хімії Установи освіти «Гродненський державний медичний університет», кандидат біологічних наук, доцент
Рецензенти:
Кафедра загальної та біоорганічної хімії Установи освіти «Гомельський державний медичний університет»;
– зав. кафедрою біоорганічної хімії Установа освіти "Білоруський державний медичний університет", кандидат медичних наук, доцент.
Кафедрою загальної та біоорганічної хімії Установи освіти «Гродненський державний медичний університет»
(протокол від 01.01.01 р.)
Центральною науково-методичною радою Установи освіти «Гродненський державний медичний університет»
(протокол від 01.01.01 р.)
Секцією за спеціальністю 1Медико-психологічна справа навчально-методичного об'єднання ВНЗ Республіки Білорусь з медичної освіти
(протокол від 01.01.01 р.)
Відповідальний за випуск:
Перший проректор Установи освіти «Гродненський державний медичний університет», професор, доктор медичних наук
Пояснювальна записка
Актуальність вивчення навчальної дисципліни
«Біоорганічна хімія»
Біоорганічна хімія - це фундаментальна природничо дисципліна. Біоорганічна хімія сформувалася як самостійна наука у 2-й половині XX століття на стику органічної хімії та біохімії. Актуальність вивчення біоорганічної хімії обумовлена практичними завданнями, що стоять перед медициною та сільським господарством (отримання, вітамінів, гормонів, антибіотиків, стимуляторів росту рослин, регуляторів поведінки тварин і комах, інших лікарських засобів), вирішення яких без використання теоретичного та практичного потенціалу біоорганічної хімії неможливе.
Біоорганічна хімія постійно збагачується новими методами виділення та очищення природних сполук, способами синтезу природних сполук та їх аналогів, знаннями про взаємозв'язок структури та біологічну активність сполук тощо.
Нові підходи до медичної освіти, пов'язані з подоланням репродуктивного стилю в навчанні, забезпеченням пізнавальної та дослідницької активності студентів, відкривають і нові перспективи для реалізації потенціалу як особистості, так і колективу.
Мета та завдання навчальної дисципліни
Ціль:формування рівня хімічної компетентності у системі медичної освіти, що забезпечує подальше вивчення медико-біологічних та клінічних дисциплін.
Завдання:
Освоєння студентами теоретичних основ хімічних перетворень органічних молекул у взаємозв'язку з їх будовою та біологічною активністю;
Формування знань молекулярних основ процесів життєдіяльності;
Розвитку умінь орієнтуватися у класифікації, будову та властивості органічних сполук, що у ролі лікарських засобів;
формування логіки хімічного мислення;
Розвиток умінь використовувати методи якісного аналізу
органічних сполук;
Хімічні знання та навички, що становлять основу хімічної компетентності, сприятимуть формуванню професійної компетенції випускника.
Вимоги до освоєння навчальної дисципліни
Вимоги до рівня освоєння змісту дисципліни «Біоорганічна хімія» визначено освітнім стандартом вищої освіти першого ступеня за циклом загальних професійних та спеціальних дисциплін, який розроблений з урахуванням вимог компетентнісного підходу, де вказано мінімум змісту з дисципліни у вигляді узагальнених хімічних компетентностей. випускника вишу:
а) узагальнені знання:
- розуміти сутність предмета як науки та його зв'язку з іншими дисциплінами;
Значимість у розумінні процесів метаболізму;
Концепцію єдності структури та реакційної здатності органічних молекул;
Фундаментальні закони хімії, необхідні пояснення процесів, які у живих організмах;
Хімічні властивості та біологічну значимість основних класів органічних сполук.
б) узагальнені вміння:
Прогнозувати механізм реакції на основі знань про будову органічних молекул та способів розриву хімічних зв'язків;
Пояснювати значення реакцій функціонування живих систем;
Використовувати отримані знання щодо біохімії, фармакології та інших дисциплін.
Структура та зміст навчальної дисципліни
У цій програмі структура змісту дисципліни «біоорганічна хімія» складається з вступу до дисципліни і двох розділів, які охоплюють загальні питання реакційної здатності органічних молекул, а також властивості гетеро- та поліфункціональних сполук, що беруть участь у процесах життєдіяльності. Кожен розділ ділиться на теми, які у послідовності, що забезпечує оптимальне вивчення та засвоєння програмного матеріалу. Для кожної теми представлені узагальнені знання та вміння, що становлять суть біоорганічної компетентності студентів. Відповідно до змісту кожної теми визначено вимоги до компетенцій (у вигляді системи узагальнених знань та умінь), для формування та діагностики яких можуть бути розроблені тести.
Методи навчання
Основними методами навчання, що адекватно відповідають цілям вивчення даної дисципліни, є:
Пояснення та консультація;
лабораторне заняття;
Елементи проблемного навчання (навчально-дослідницька робота студентів);
Введення у біоорганічну хімію
Біоорганічна хімія як наука, що вивчає будову органічних речовин та їх перетворення у взаємозв'язку з біологічними функціями. Об'єкти вивчення біоорганічної хімії. Роль біоорганічної хімії у формуванні наукової основи для сприйняття біологічних та медичних знань на сучасному молекулярному рівні.
Теорія будови органічних сполук та її розвиток на етапі. Ізомерія органічних сполук як основа різноманіття органічних сполук. Типи ізомерії органічних сполук.
Фізико-хімічні методи виділення та дослідження органічних сполук, що мають значення для біомедичного аналізу.
Основні правила систематичної номенклатури IUPAC для органічних сполук: замісна та радикально-функціональна номенклатура.
Просторова будова органічних молекул, його зв'язок з типом гібридизації атома вуглецю (sp3-, sp2-і sp-гібридизація). Стереохімічні формули. Конфігурація та конформація. Конформації відкритих ланцюгів (затулена, загальмована, скошена). Енергетична характеристика конформацій. Проекційні формули Ньюмена. Просторове зближення певних ділянок ланцюга як наслідок конформаційної рівноваги та як одна з причин переважної освіти п'яти- та шестичленних циклів. Конформації циклічних сполук (циклогексан, тетрагідропіран). Енергетична характеристика конформацій крісла та ванни. Аксіальні та екваторіальні зв'язки. Зв'язок просторової будови з біологічною активністю.
Вимоги до компетентності:
· Знати об'єкти вивчення та основні завдання біоорганічної хімії,
· Вміти класифікувати органічні сполуки щодо будови вуглецевого скелета та за природою функціональних груп, користуватися правилами систематичної хімічної номенклатури.
· Знати основні типи ізомерії органічних сполук, вміти за структурною формулою сполуки визначати можливі типи ізомерів.
· Знати різні типи гібридизації атомних орбіталей вуглецю, просторову спрямованість зв'язків атома, їх тип та число залежно від типу гібридизації.
· Знати енергетичні характеристики конформацій циклічних (конформації крісла, ванни) та ациклічних (загальмована, скошена, заслонена конформації) молекул, вміти їх зображати проекційними формулами Ньюмена.
· Знати види напруг (торсіонні, кутові, ван-дер-ваальсові), що виникають у різних молекулах, їх вплив на стійкість конформації та молекули загалом.
Розділ 1. Реакційна здатність органічних молекул як результат взаємного впливу атомів, механізми перебігу органічних реакцій
Тема 1. Сполучені системи, ароматичність, електронні ефекти заступників
Сполучені системи та ароматичність. Поєднання (p, p - і р, p-спряження). Сполучені системи з відкритим ланцюгом: 1,3-дієни (бутадієн, ізопрен), полієни (каротиноїди, вітамін А). Сполучені системи із замкнутим ланцюгом. Ароматичність: критерії ароматичності, правило ароматичності Хюккеля. Ароматичність бензоїдних (бензол, нафталін, фенантрен) сполук. Енергія сполучення. Будова та причини термодинамічної стійкості карбо- та гетероциклічних ароматичних сполук. Ароматичність гетероциклічних (піррол, імідазол, піридин, піримідин, пурин) сполук. Пірольний і піридиновий атоми азоту, p-надлишкові та p-недостатні ароматичні системи.
Взаємний вплив атомів та способи його передачі в органічних молекулах. Делокалізація електронів як із чинників підвищення стійкості молекул та іонів, її широка поширеність у біологічно важливих молекулах (порфін, гем, гемоглобін та інших.). Поляризація зв'язків. Електронні ефекти заступників (індуктивний та мезомерний) як причина нерівномірного розподілу електронної щільності та виникнення реакційних центрів у молекулі. Індуктивний та мезомерний ефекти (позитивний та негативний), їх графічне позначення у структурних формулах органічних сполук. Електронодонорні та електроноакцепторні заступники.
Вимоги до компетентності:
· Знати види сполучення та вміти визначати вид поєднання за структурною формулою сполуки.
· Знати критерії ароматичності, вміти за структурною формулою визначати належність до ароматичних сполук карбо- та гетероциклічних молекул.
· Вміти оцінювати електронний внесок атомів у створення єдиної пари, знати електронну будову піридинового і пірольного атомів азоту.
· Знати електронні ефекти заступників, причини їх виникнення та вміти графічно зображувати їхню дію.
· Вміти відносити заступники до електронодонорних або електроноакцепторних на підставі індуктивного і мезомерного ефектів, що виявляються ними.
· Вміти прогнозувати вплив заступників на реакційну здатність молекул.
Тема 2. Реакційна здатність вуглеводнів. Реакції радикального заміщення, електрофільного приєднання та заміщення
Загальні закономірності реакційної спроможності органічних сполук як хімічна основа їхнього біологічного функціонування. Хімічна реакція як процес. Поняття: субстрат, реагент, реакційний центр, перехідний стан, продукт реакції, енергія активації, швидкість реакції, механізм.
Класифікація органічних реакцій за результатом (приєднання, заміщення, елімінування, окислювально-відновлювальні) та за механізмом – радикальні, іонні (електрофільні, нуклеофільні), узгоджені. Типи реагентів: радикальні, кислотні, основні, електрофільні, нуклеофільні. Гомолітичний і гетеролітичний розрив ковалентного зв'язку в органічних сполуках і частинки, що при цьому утворюються: вільні радикали, карбкатіони і карбаніони. Електронна та просторова будова цих частинок та фактори, що зумовлюють їхню відносну стійкість.
Реакційна здатність вуглеводнів. Реакції радикального заміщення: гомолітичні реакції за участю СН-зв'язків sp3-гібридизованого атома вуглецю. Механізм радикального заміщення на прикладі реакції галогенування алканів та циклоалканів. Поняття про ланцюгові процеси. Поняття про регіоселективність.
Шляхи утворення вільних радикалів: фотоліз, термоліз, окисно-відновлювальні реакції.
Реакції електрофільного приєднання ( AE) у ряді ненасичених вуглеводнів: гетеролітичні реакції за участю p-зв'язку між sp2-гібридизованими атомами вуглецю. Механізм реакцій гідратації та гідрогалогенування. Кислотний каталіз. Правило Марковнікова. Вплив статичних та динамічних факторів на регіоселективність реакцій електрофільного приєднання. Особливості реакцій електрофільного приєднання до дієнових вуглеводнів та малих циклів (циклопропан, циклобутан).
Реакції електрофільного заміщення ( SE): гетеролітичні реакції за участю p-електронної хмари ароматичної системи. Механізм реакцій галогенування, нітрування, алкілування ароматичних сполук: p - та s- Комплекси. Роль каталізатора (кислоти Льюїса) у освіті електрофільної частки.
Вплив замісників в ароматичному ядрі на реакційну здатність сполук у реакціях електрофільного заміщення. Орієнтуючий вплив заступників (орієнтанти І та ІІ роду).
Вимоги до компетентності:
· Знати поняття субстрат, реагент, реакційний центр, продукт реакції, енергія активації, швидкість реакції, механізм реакції.
· Знати класифікацію реакцій за різними ознаками (за кінцевим результатом, за способом розриву зв'язків, за механізмом) та типи реагентів (радикальні, електрофільні, нуклеофільні).
· Знати електронну та просторову будову реагентів та фактори, що зумовлюють їхню відносну стійкість, вміти порівнювати відносну стійкість однотипних реагентів.
· Знати способи утворення вільних радикалів та механізм реакцій радикального заміщення (SR) на прикладах реакцій галогенування алканів та циклоалаканів.
· Вміти визначати статистичну ймовірність утворення можливих продуктів у реакціях радикального заміщення та можливість регіоселективного перебігу процесу.
· Знати механізм реакцій електрофільного приєднання (АЕ) у реакціях галогенування, гідрогалогенування та гідратації алкенів, вміти якісно оцінювати реакційну здатність субстратів, виходячи з електронних ефектів замісників.
· Знати правило Марковникова та вміти визначати регіоселективність перебігу реакцій гідратації та гідрогалогенування виходячи з впливу статичного та динамічного факторів.
· Знати особливості реакцій електрофільного приєднання до сполучених дієнових вуглеводнів та малих циклів (циклопропан, циклобутан).
· Знати механізм реакцій електрофільного заміщення (SЕ) у реакціях галогенування, нітрування, алкілування, ацилювання ароматичних сполук.
· Вміти виходячи з електронних ефектів заступників, визначати їх вплив на реакційну здатність ароматичного ядра та їхню орієнтуючу дію.
Тема 3. Кислотно-основні властивості органічних сполук
Кислотність та основність органічних сполук: теорії Бренстеда та Льюїса. Стабільність аніону кислоти – якісний показник кислотних властивостей. Загальні закономірності у зміні кислотних чи основних властивостей у взаємозв'язку з природою атомів у кислотному чи основному центрі, електронними ефектами замісників при цих центрах. Кислотні властивості органічних сполук з водневмісними функціональними групами (спирти, феноли, тіоли, карбонові кислоти, аміни, СН-кислотність молекул і кабркатіонів). p-основи та n-основи. Основні властивості нейтральних молекул, що містять гетероатоми з неподіленими парами електронів (спирти, тіоли, сульфіди, аміни) та аніонів (гідроксид-, алкоксид-іони, аніони органічних кислот). Кислотно-основні властивості азотовмісних гетероциклів (піррол, імідазол, піридин). Водневий зв'язок як специфічний прояв кислотно-основних властивостей.
Порівняльна характеристика кислотних властивостей сполук, що містять гідроксильну групу (одноатомні та багатоатомні спирти, феноли, карбонові кислоти). Порівняльна характеристика основних властивостей аліфатичних та ароматичних амінів. Вплив електронної природи замісника на кислотно-основні властивості органічних молекул.
Вимоги до компетентності:
· Знати визначення кислот та основ відповідно до протолітичної теорії Бренстеда та електронної теорії Льюїса.
· Знати класифікацію кислот та основ Бренстеда залежно від природи атомів кислотного чи основного центрів.
· Знати фактори, що впливають на силу кислот і стабільність пов'язаних ним підстав, вміти проводити порівняльну оцінку сили кислот виходячи зі стабільності аніонів, що їм відповідають.
· Знати чинники, які впливають силу підстав Бренстеда, вміти проводити порівняльну оцінку сили підстав з урахуванням цих чинників.
· Знати причини виникнення водневого зв'язку, вміти трактувати утворення водневого зв'язку як специфічний прояв кислотно-основних властивостей речовини.
· Знати причини виникнення кето-енольної таутомерії в органічних молекулах, вміти пояснювати їх з позиції кислотно-основних властивостей сполук у взаємозв'язку з їх біологічною активністю.
· Знати та вміти проводити якісні реакції, що дозволяють відрізняти багатоатомні спирти, феноли, тіоли.
Тема 4. Реакції нуклеофільного заміщення у тетрагонального атома вуглецю та конкурентні їм реакції елімінування
Реакції нуклеофільного заміщення у sp3-гібридизованого атома вуглецю: гетеролітичні реакції, зумовлені поляризацією зв'язку вуглець-гетероатом (галогенопохідні, спирти). Легко і складні групи: зв'язок легкості догляду групи з її будовою. Вплив розчинника, електронних та просторових факторів на реакційну здатність сполук у реакціях моно- та бимолекулярного нуклеофільного заміщення (SN1 та SN2). Стереохімія реакцій нуклеофільного заміщення.
Реакції гідролізу галогенопохідних. Реакції алкілування спиртів, фенолів, тіолів, сульфідів, аміаку, амінів. Роль кислотного каталізу у нуклеофільному заміщенні гідроксильної групи. Галогенопохідні, спирти, ефіри сірчаної та фосфорної кислот як алкілуючі реагенти. Біологічна роль реакцій алкілування.
Реакції моно- та бимолекулярного елімінування (Е1 та Е2): (дегідратація, дегідрогалогенування). Підвищена СН-кислотність як причина реакцій елімінування, що супроводжують нуклеофільне заміщення sp3- гібридизованого атома вуглецю.
Вимоги до компетентності:
· Знати фактори, що визначають нуклеофільність реагентів, будову найважливіших нуклеофільних частинок.
· Знати загальні закономірності реакцій нуклеофільного заміщення у насиченого атома вуглецю, вплив статичного та динамічного факторів на реакційну здатність речовини у реакції нуклеофільного заміщення.
· Знати механізми моно- та бимолекулярного нуклеофільного заміщення, вміти оцінювати вплив стеричних факторів, вплив розчинників, вплив статичного та динамічного факторів на перебіг реакції по одному з механізмів.
· Знати механізми моно- та бимолекулярного елімінування, причини конкуренції між реакціями нуклеофільного заміщення та елімінування.
· Знати правило Зайцева та вміти визначати головний продукт у реакціях дигідратації та дегідрогалогенування несиметричних спиртів та галогеналканів.
Тема 5. Реакції нуклеофільного приєднання та заміщення у тригонального атома вуглецю
Реакції нуклеофільного приєднання: гетеролітичні реакції за участю p-зв'язку вуглець-кисень (альдегіди, кетони). Механізм реакцій взаємодії карбонільних сполук з нуклеофільними реагентами (водою, спиртами, тіолами, амінами). Вплив електронних та просторових факторів, роль кислотного каталізу, оборотність реакцій нуклеофільного приєднання. Напівацеталі та ацеталі, їх отримання та гідроліз. Біологічна роль реакцій ацеталізації. Реакції альдольного приєднання. Основний каталіз. Будова енолят – іона.
Реакції нуклеофільного заміщення у ряді карбонових кислот. Електронна та просторова будова карбоксильної групи. Реакції нуклеофільного заміщення у sp2-гібридизованого атома вуглецю (карбонові кислоти та їх функціональні похідні). Ацилюючі агенти (галогенангідриди, ангідриди, карбонові кислоти, складні ефіри, аміди), порівняльна характеристика їхньої реакційної здатності. Реакції ацилювання - утворення ангідридів, складних ефірів, тіоефірів, амідів - і зворотні реакції гідролізу. Ацетилкофермент А – природний макроергічний ацилюючий агент. Біологічна роль реакцій ацилування. Поняття про нуклеофільне заміщення у атомів фосфору, реакцію фосфорилювання.
Реакції окислення та відновлення органічних сполук. Специфіка окислювально-відновних реакцій органічних сполук. Поняття про одноелектронне перенесення, перенесення гідрид-іону та дію системи НАД+ ↔ НАДН. Реакції окиснення спиртів, фенолів, сульфідів, карбонільних сполук, амінів, тіолів. Реакції відновлення карбонільних сполук, дисульфідів. Роль окислювально-відновних реакцій у процесах життєдіяльності.
Вимоги до компетентності:
· Знати електронну та просторову будову карбонільної групи, вплив електронних та стеричних факторів на реакційну здатність оксо-групи в альдегідах та кетонах.
· Знати механізм реакцій нуклеофільного приєднання води, спиртів, амінів, тіолів до альдегідів та кетонів, роль каталізатора.
· Знати механізм реакцій альдольної конденсації, фактори, що визначають участь поєднання в цій реакції.
· Знати механізм реакцій відновлення оксосоединений гідридами металів.
· Знати реакційні центри, що є в молекулах карбонових кислот. Вміти проводити порівняльну оцінку сили карбонових кислот залежно від будови радикалу.
· Знати електронну та просторову будову карбоксильної групи, вміти проводити порівняльну оцінку здатності атома вуглецю оксо-групи в карбонових кислотах та їх функціональних похідних (галогенангідриди, ангідриди, складні ефіри, аміди, солі) піддаватися нуклеофільній атакі.
· Знати механізм реакцій нуклефільного заміщення на прикладах реакцій ацилювання, етерифікації, гідролізу складних ефірів, ангідридів, галогенангідридів, амідів.
Тема 6. Ліпіди, класифікація, будова, властивості
Ліпіди омилювані та неомилювані. Нейтральні ліпіди. Природні жири як суміш триацилгліцеринів. Основні природні вищі жирні кислоти, що входять до складу ліпідів: пальмітинова, стеаринова, олеїнова, лінолева, ліноленова. Арахідонова кислота. Особливості ненасичених жирних кислот, w-номенклатура.
Пероксидне окиснення фрагментів ненасичених жирних кислот у клітинних мембранах. Роль пероксидного окиснення ліпідів мембран у дії малих доз радіації на організм. Системи антиоксидантного захисту.
Фосфоліпіди. Фосфатидні кислоти. Фосфатидилколаміни та фосфатидилсерини (кефаліни), фосфатидилхоліни (лецитини) – структурні компоненти клітинних мембран. Ліпідний бішар. Сфінголіпіди, цераміди, сфінгомієліни. Гліколіпіди мозку (цереброзиди, гангліозиди).
Вимоги до компетентності:
· Знати класифікацію ліпідів, їхню будову.
· Знати будову структурних компонентів омилюваних ліпідів – спиртів та вищих жирних кислот.
· Знати механізм реакцій освіти та гідролізу простих та складних ліпідів.
· Знати та вміти проводити якісні реакції на ненасичені жирні кислоти та олії.
· Знати класифікацію неомилюваних ліпідів, мати уявлення про принципи класифікації терпенів та стероїдів, їх біологічну роль.
· Знати біологічну роль ліпідів, їх основні функції, мати уявлення про основні етапи перекисного окислення ліпідів та наслідки цього процесу для клітини.
Розділ 2. Стереоізомерія органічних молекул. Полі- та гетерофункціональні сполуки, що беруть участь у процесах життєдіяльності
Тема 7. Стереоізомерія органічних молекул
Стереоізомерія у ряді сполук з подвійним зв'язком (p-діастереомерія). Цис - і трансізомерія ненасичених сполук. Е, Z – система позначень p-діастереомерів. Порівняльна стійкість p-діастереомерів.
Хіральні молекули. Ассиметричний атом вуглецю як центр хіральності. Стереоізомерія молекул з одним центром хіральності (енантіомерія). Оптична активність. Проекційні формули Фішера. Гліцериновий альдегід як конфігураційний стандарт, абсолютна та відносна конфігурація. D, L-система стереохімічної номенклатури. R, S-система стереохімії номенклатури. Рацемічні суміші та способи їх поділу.
Стереоізомерія молекул з двома та більше центрами хіральності. Енантіомери, діастереоміри, мезоформи.
Вимоги до компетентності:
· Знати причини виникнення стереоізомерії у ряді алкенів та дієнових вуглеводнів.
· Вміти за скороченою структурною формулою ненасиченої сполуки визначати можливість існування p-діастереомерів, розрізняти цис-транс-ізомери, оцінювати їх порівняльну стійкість.
· Знати елементи симетрії молекул, необхідні умови виникнення хіральності в органічної молекули.
· Знати та вміти зображати енантіомери за допомогою проекційних формул Фішера, вираховувати кількість очікуваних стереоізомерів виходячи з числа хіральних центрів у молекулі, принципи визначення абсолютної та відносної конфігурації, D-, L-систему стереохімічної номенклатури.
· Знати способи поділу рацематів, основні засади R, S-системи стереохімічної номенклатури.
Тема 8. Фізіологічно активні полі- та гетерофункціональні сполуки аліфатичного, ароматичного та гетероциклічного рядів
Полі - і гетерофункціональність як із характерних ознак органічних сполук, що у процесах життєдіяльності і є родоначальниками найважливіших груп лікарських засобів. Особливості у взаємному впливі функціональних груп залежно від їхнього відносного розташування.
Багатоатомні спирти: етиленгліколь, гліцерин. Складні ефіри багатоатомних спиртів із неорганічними кислотами (нітрогліцерин, фосфати гліцерину). Двохатомні феноли: гідрохінон. Окислення двоатомних фенолів. Система гідрохінон-хінон. Феноли як антиоксиданти (пастки вільних радикалів). Токофероли.
Двоосновні карбонові кислоти: щавлева, малонова, янтарна, глутарова, фумарова. Перетворення бурштинової кислоти на фумарову як приклад біологічно важливої реакції дегідрування. Реакції декарбоксилювання, їхня біологічна роль.
Аміноспирти: аміноетанол (коламін), холін, ацетилхолін. Роль ацетилхоліну у хімічній передачі нервового імпульсу в синапсах. Амінофеноли: дофамін, норадреналін, адреналін. Поняття про біологічну роль цих сполук та їх похідних. Нейротоксична дія 6-гідроксідофаміну та амфетамінів.
Гідрокси- та амінокислоти. Реакції циклізації: вплив різних факторів на процес утворення циклів (реалізація відповідних конформацій, розмір циклу, що утворюється, ентропійний фактор). Лактони. Лактами. Гідроліз лактонів та лактамів. Реакція елімінування b-гідрокси та амінокислот.
Альдегідо - і кетокислоти: піровиноградна, ацетооцтова, щавлевооцтова, a-кетоглутарова. Кислотні властивості та реакційна здатність. Реакції декарбоксилювання b-кетокислот та окисного декарбоксилювання a-кетокислот. Ацетооцтовий ефір, кето-інольна таутомерія. Представники «кетонових тіл» - b-гідроксимасляна, b-кетомасляна кислоти, ацетон, їх біологічне та діагностичне значення.
Гетерофункціональні похідні бензольного ряду як лікарські засоби. Саліцилова кислота та її похідні (ацетилсаліцилова кислота).
Пара-амінобензойна кислота та її похідні (анестезин, новокаїн). Біологічна роль п-амінобензойної кислоти. Сульфанілова кислота та її амід (стрептоцид).
Гетероцикли з кількома гетероатомами. Піразол, імідазол, піримідин, пурин. Піразолон-5 – основа ненаркотичних аналгетиків. Барбітурова кислота та її похідні. Гідроксипурини (гіпоксантин, ксантин, сечова кислота), їхня біологічна роль. Гетероцикли з одним гетероатомом. Піррол, індол, піридин. Біологічно важливі похідні піридину – нікотинамід, піридоксаль, похідні ізонікотинової кислоти. Нікотинамід – структурний компонент коферменту НАД+, що зумовлює його участь у ОВР.
Вимоги до компетентності:
· Вміти класифікувати гетерофункціональні сполуки за складом та за їх взаємним розташуванням.
· Знати специфічні реакції аміно- та гідроксикислот з a, b, g – розташуванням функціональних груп.
· Знати реакції, що ведуть до утворення біологічно активних сполук: холіну, ацетилхоліну, адреналіну.
· Знати роль кето-енольної таутомерії у прояві біологічної активності кетокислот (піровиноградної, щавлевооцтової, ацетооцтової) та гетероциклічних сполук (піразолу, барбітурової кислоти, пурину).
· Знати способи окиснювально-відновних перетворень органічних сполук, біологічну роль окиснювально-відновних реакцій у прояві біологічної активності двоатомних фенолів, нікотинаміду, утворенні кетонових тіл.
Тема9 . Вуглеводи, класифікація, будова, властивості, біологічна роль
Вуглеводи, їх класифікація стосовно гідролізу. Класифікація моносахаридів. Альдози, кетози: тріози, тетрози, пентози, гексоз. Стереоізомерія моносахаридів. D- та L-ряди стереохімічної номенклатури. Відкриті та циклічні форми. Формули Фішера та формули Хеуорса. Фуранози та піранози, a - та b-аноміри. Цикло-оксо-таутомерія. Конформація піранозних форм моносахаридів. Будова найважливіших представників пентоз (рибоза, ксилоза); гексоз (глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза); дезоксицукорів (2-дезоксирибозу); аміносахарів (глюкозамін, манозамін, галактозамін).
Хімічні властивості моносахаридів. Реакція нуклеофільного заміщення за участю аномерного центру. Про - та N-глікозиди. Гідроліз глікозидів. Фосфати моносахаридів. Окислення та відновлення моносахаридів. Відновлювальні властивості альдоз. Гліконові, глікарові, глікуронові кислоти.
Олігосахариди. Дисахариди: мальтоза, целобіоз, лактоза, сахароза. Будова, цикло-оксо-таутомерія. Гідроліз.
Полісахариди. Загальна характеристика та класифікація полісахаридів. Гомо - і гетерополісахариди. Гомополісахариди: крохмаль, глікоген, декстрани, целюлоза. Первинна структура, гідроліз. Поняття про вторинну структуру (крохмаль, целюлоза).
Вимоги до компетентності:
· Знати класифікацію моносахаридів (за кількістю атомом вуглецю, за складом функціональних груп), будову відкритих і циклічних форм (фуранози, піранози) найважливіших моносахаридів, їх відношення D - і L - рядів стереохімічної номенклатури, вміти визначати число можливих діастереом. , епімерів, аномерів.
· Знати механізм реакцій циклізації моносахаридів, причини мутаротації розчинів моносахаридів.
· Знати хімічні властивості моносахаридів: окисно-відновні реакції, реакції утворення та гідролізу О- та N-глікозидів, реакції етерифікації, фосфорилювання.
· Вміти проводити якісні реакції на діольний фрагмент та наявність відновлювальних властивостей моносахаридів.
· Знати класифікацію дисахаридів та його будову, конфігурацію аномерного атома вуглецю, що утворює глікозидний зв'язок, таутомерні перетворення дисахаридів, їх хімічні властивості, біологічну роль.
· Знати класифікацію полісахаридів (стосовно гідролізу, по моносахаридному складу), будова найважливіших представників гомополісахаридів, конфігурацію аномерного атома вуглецю, що утворює глікозидний зв'язок, їх фізичні та хімічні властивості, біологічну роль. Мати уявлення про біологічну роль гетерополісахаридів.
Тема 10a-Амінокислоти, пептиди, білки. Будова, властивості, біологічна роль
Будова, номенклатура, класифікація a-амінокислот, що входять до складу білків та пептидів. Стереоізомерія a-амінокислот.
Біосинтетичні шляхи утворення a-амінокислот з оксокислот: реакції відновного амінування та реакції переамінування. Незамінні амінокислоти.
Хімічні властивості a-амінокислот як гетерофункціональних сполук. Кислотно-основні властивості a-амінокислот. Ізоелектрична точка, методи поділу a-амінокислот. Утворення внутрішньокомплексних солей. Реакції етерифікації, ацилювання, алкілування. Взаємодія з азотистою кислотою та формальдегідом, значення цих реакцій для аналізу амінокислот.
g-аміномасляна кислота - гальмівний медіатор ЦНС. Антидепресивна дія L-триптофану, серотонін – як нейромедіатор сну. Медіаторні властивості гліцину, гістаміну, аспарагінової та глутамінової кислот.
Біологічно важливі реакції a-амінокислот. Реакції дезамінування та гідроксилювання. Декарбоксилювання a-амінокислот – шлях до утворення біогенних амінів та біорегуляторів (коламін, гістамін, триптамін, серотонін.) Пептиди. Електронна будова пептидного зв'язку. Кислотний та лужний гідроліз пептидів. Встановлення амінокислотного складу за допомогою сучасних фізико-хімічних методів (методи Сенгера та Едмана). Поняття про нейропептиди.
Первинна структура білків. Частковий та повний гідроліз. Поняття про вторинну, третинну та четвертинну структури.
Вимоги до компетентності:
· Знати будову, стереохімічну класифікацію a-амінокислот, належність до D- та L-стереохімічних рядів природних амінокислот, незамінні амінокислоти.
· Знати шляхи синтезу a-амінокислот in vivo та in vitro, знати кислотно-основні властивості та способи переведення a-амінокислот в ізоелектричний стан.
· Знати хімічні властивості a-амінокислот (реакції з аміно- та карбоксильних груп), вміти проводити якісні реакції (ксантопротеїнову, з Сu(ОН)2, нінгідрином).
· Знати електронну будову пептидного зв'язку, первинну, вторинну, третинну та четвертинну структуру білків і петидів, знати способи визначення амінокислотного складу та амінокислотної послідовності (метод Сенгера, метод Едмана), вміти проводити біуретову реакцію на пептиди та білки.
· Знати принцип методу синтезу пептидів з використанням захисту та активації функціональних груп.
Тема 11. Нуклеотиди та нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові основи, що входять до складу нуклеїнових кислот. Піримидинові (урацил, тимін, цитозин) та пуринові (аденін, гуанін) основи, їх ароматичність, таутомерні перетворення.
Нуклеозиди, реакції їхньої освіти. Характер зв'язку нуклеїнової основи з вуглеводним залишком; конфігурація глікозидного центру. Гідроліз нуклеозидів.
нуклеотиди. Будова мононуклеотидів, що утворюють нуклеїнові кислоти. Номенклатура. Гідроліз нуклеотидів.
Первинна структура нуклеїнових кислот. Фосфодіефірний зв'язок. Рибонуклеїнові та дезоксирибонуклеїнові кислоти. Нуклеотидний склад РНК та ДНК. Гідроліз нуклеїнових кислот.
Поняття про вторинну структуру ДНК. Роль водневих зв'язків у формуванні вторинної структури. Комплементарність нуклеїнових основ.
Лікарські засоби на основі модифікованих нуклеїнових основ (5-фторурацил, 6-меркаптопурин). Принцип хімічної подоби. Зміна структури нуклеїнових кислот під дією хімічних речовин та радіації. Мутагенна дія азотистої кислоти.
Нуклеозидполіфосфати (АДФ, АТФ), особливості їх будови, що дозволяють виконувати функції макроергічних сполук та внутрішньоклітинних біорегуляторів. Будова цАМФ – внутрішньоклітинного «посередника» гормонів.
Вимоги до компетентності:
· Знати будову піримідинових та пуринових азотистих основ, їх таутомерні перетворення.
· Знати механізм реакцій утворення N-глікозидів (нуклеозидів) та їх гідролізу, номенклатуру нуклеозидів.
· Знати принципові подібність та відмінності природних та синтетичних нуклеозидів-антибіотиків у порівнянні з нуклеозидами, що входять до складу ДНК та РНК.
· Знати реакції утворення нуклеотидів, будову мононуклеотидів, що входять до складу нуклеїнових кислот, їхню номенклатуру.
· Знати будову цикло- та поліфосфатів нуклеозидів, їх біологічну роль.
· Знати нуклетидний склад ДНК та РНК, роль фосфодіефірного зв'язку у створенні первинної структури нуклеїнових кислот.
· Знати роль водневих зв'язків у формуванні вторинної структури ДНК, комплементарність азотистих основ, роль комплементарних взаємодій у здійсненні біологічної функції ДНК.
· Знати фактори, що викликають виникнення мутацій, та принцип їх дії.
Інформаційна частина
Список літератури
Основна:
1. Романовський, біоорганічна хімія: навчальний посібник у 2-х частинах / . - Мінськ: БДМУ, 20с.
2. Романовський, до практикуму з біоорганічної хімії: навчальний посібник / за редакцією. - Мінськ: БДМУ, 1999. - 132 с.
3. Тюкавкіна, Н. А., Біоорганічна хімія: підручник / , . - Москва: Медицина, 1991. - 528 с.
Додаткова:
4. Овчинників, хімія: монографія / .
- Москва: Просвітництво, 1987. - 815 с.
5. Потапов,: навчальний посібник / . - Москва:
Хімія, 1988. - 464 с.
6. Райлс, А. Основи органічної хімії: навчальний посібник / А. Райс, К. Сміт,
Р. Уорд. - Москва: Світ, 1989. - 352 с.
7. Тейлор, Г. Основи органічної хімії: навчальний посібник/Г. Тейлор. -
Москва: Мірс.
8. Терней, А. Сучасна органічна хімія: навчальний посібник у 2-х томах /
А. Терней. - Москва: Світ, 1981. - 1310 с.
9. Тюкавкіна, до лабораторних занять з біоорганічної
хімії: навчальний посібник / [та ін]; за редакцією Н. А.
Тюкавкіної. - Москва: Медицина, 1985. - 256 с.
10. Тюкавкіна, Н. А., Біоорганічна хімія: Підручник для студентів
медичних інститутів / , . - Москва.
Вітання! Багато студентів медичних вишів зараз розбирають біоорганічну хімію, вона ж – БОХ.
У деяких вузах цей предмет закінчується заліком, у деяких – іспитом. Іноді буває, що залік в одному вузі можна порівняти за складністю з іспитом в іншому.
У моєму університеті біоорганічна хімія здавалася якраз іспитом під час літньої сесії наприкінці першого курсу. Треба сказати, що БОХ відноситься до тих предметів, які спочатку жахають і можуть вселяти думку - це здати неможливо. Особливо це, звичайно, стосується людей зі слабкою базою органічної хімії (а таких у медичних університетах, як не дивно, досить багато).
Програми вивчення біоорганічної хімії у різних університетах можуть дуже відрізнятися, а методики викладання – ще сильніше.
Проте вимоги до студентів скрізь приблизно однакові. Якщо дуже спростити, щоб здати біоорганічну хімію на 5, ви повинні знати назви, властивості, особливості будови і типові реакції ряду органічних речовин.
Наш викладач, шановний професор, подавав матеріал так, ніби кожен студент був найкращим у школі з органічної хімії (а біоорганічна хімія по суті є ускладненим курсом шкільної органічної хімії). Напевно, він мав рацію у своєму підході, всі повинні тягтися нагору і намагатися бути кращими. Однак це призвело до того, що деякі студенти, які на перших 2-3 парах не розуміли матеріал частково, ближче до середини семестру взагалі перестали розуміти все.
Я вирішив написати цей матеріал здебільшого через те, що я був таким студентом. У школі я дуже любив неорганічну хімію, а от з органікою у мене завжди не складалося. Я навіть коли готувався до ЄДІ, вибрав стратегію посилення всіх своїх знань з неорганіки, водночас закріплюючи лише базу органіки. Мені, до речі, це мало не вийшло боком у плані вступних балів, але це інша історія.
Я не дарма сказав про методику викладання, тому що в нас вона теж була дуже незвичайна. Нам відразу ж, чи не на першій парі, продемонстрували методички, за якими ми мали складати заліки і потім іспит.
Біоорганічна хімія - заліки та іспит
Весь курс у нас ділився на 4 великі теми, кожна з яких закінчувалася заліковим заняттям. Запитання до кожного з чотирьох заліків у нас вже були з перших пар. Вони, звичайно ж, лякали, проте водночас служили своєрідною картою, якою слід рухатися.
Перший залік був дуже елементарний. Він був присвячений, в основному, номенклатурі, тривіальним (побутовим) та міжнародним назвам, і, звичайно ж, класифікації речовин. Також у тому чи іншому вигляді торкалися ознак ароматичності.
Другий залік після першого здавався значно складнішим. Там необхідно було розписувати властивості та реакції таких речовин, як кетони, альдегіди, спирти, карбонові кислоти. Наприклад, одна з типових реакцій альдегідів – це реакція срібного дзеркала. Досить гарне видовище. Якщо до якого-небудь альдегіду ви додасте реактив Толленса, тобто ВІН, то на стінці пробірки ви побачите осад, що нагадує дзеркало, як це виглядає: 
Третій залік на тлі другого не видавався таким грізним. Усі вже звикли писати реакції та запам'ятовувати властивості за класифікаціями. У третьому заліку йшлося про сполуки із двома функціональними групами – амінофеноли, аміноспирти, оксокислоти та інші. Також у кожному квитку був мінімум один квиток про вуглеводи.
Четвертий залік з біоорганічної хімії був майже повністю присвячений білкам, амінокислотам і пептидним зв'язкам. Особливою родзинкою були питання, на яких потрібно зібрати РНК та ДНК.
До речі, саме так виглядає амінокислота — ви можете побачити аміногрупу (вона підфарбована жовтим на цьому малюнку) і групу карбоксильної кислоти (вона бузкова). Саме з речовинами цього класу доводилося мати справу у четвертому заліку. 
Кожен залік здавався біля дошки – студент повинен без підказок розписати та пояснити усі необхідні властивості у вигляді реакцій. Наприклад, якщо ви здаєте другий залік, у вас у квитку властивості спиртів. Вам викладач каже – візьми пропанол. Ви пишете формулу пропанолу та 4-5 типових реакцій, щоб проілюструвати його властивості. Могла бути і екзотика, на кшталт сірковмісних сполук. Помилка навіть у індексі одного продукту реакції найчастіше відправляла далі вивчати цей матеріал до наступної спроби (яка була за тиждень). Страшно? Суворо? Звичайно!
Однак такий підхід має дуже приємний побічний ефект. Під час регулярних семінарських занять доводилося тяжко. Багато хто складав заліки по 5-6 разів. Але на іспиті було дуже легко, адже кожен квиток містив 4 питання. Саме по одному з кожного вже вивченого та вирішеного заліку.
Тому я навіть не розписуватиму тонкощів підготовки до іспиту з біоорганічної хімії. У нашому випадку вся підготовка зводилася до того, як ми готувалися до зарахунків. Упевнено здав кожен із чотирьох заліків – перед іспитом просто переглянь свої ж чернетки, розпиши ще основні реакції і відразу все відновиться. Справа в тому, що органічна хімія – це дуже логічна наука. Запам'ятовувати потрібно не величезні рядки реакцій, а самі механізми.
Так, наголошу, що це працює далеко не з усіма предметами. Грізну анатомію не вдасться здати, просто почитавши свої записи напередодні. Ряд інших предметів також має свої особливості. Навіть якщо у вашому медичному університеті біоорганічна хімія викладається якось інакше, можливо, вам потрібно буде скоригувати вашу підготовку та здійснювати її трохи не так, як я робив. У будь-якому випадку, удачі вам, розумійте та любите науку!
Біоорганічна хімія- це фундаментальна наука, яка вивчає будову та біологічні функції найважливіших компонентів живої матерії, насамперед, біополімерів та низькомолекулярних біорегуляторів, приділяючи головну увагу з'ясуванню закономірностей взаємозв'язку між структурою сполук та їх біологічною дією.
Біоорганічна хімія - наука на стику хімії та біології, вона сприяє розкриттю принципів функціонування живих систем. Біоорганічна хімія має виражену практичну спрямованість, будучи теоретичною основою отримання нових цінних сполук для медицини, сільського господарства, хімічної, харчової та мікробіологічної промисловості. Коло інтересів біоорганічної хімії надзвичайно широкий - це і світ речовин, що виділяються з живої природи і відіграють важливу роль у життєдіяльності, і світ штучно одержуваних органічних сполук, що мають біологічну активність. Біоорганічна хімія охоплює хімію всіх речовин живої клітини, десятки та сотні тисяч сполук.
Об'єкти вивчення, методи дослідження та основні завдання біоорганічної хімії
Об'єктами вивченнябіоорганічної хімії є білки і пептиди, вуглеводи, ліпіди, біополімери змішаного типу - глікопротеїни, нуклеопротеїни, ліпопротеїни, гліколіпіди і т.п., алкалоїди, терпеноїди, вітаміни, антибіотики, гормони, простагланди, : лікарські препарати, пестициди та ін.
Основний арсенал методів дослідженнябіоорганічної хімії складають методи; для вирішення структурних завдань використовують фізичні, фізико-хімічні, математичні та біологічні методи.
Основними завданнямибіоорганічної хімії є:
- Виділення в індивідуальному стані та очищення досліджуваних сполук за допомогою кристалізації, перегонки, різних видів хроматографії, електрофорезу, ультрафільтрації, ультрацентрифугування та ін. його впливу на певний фізіологічний процес тощо);
- Встановлення структури, включаючи просторову будову, на основі підходів органічної хімії (гідроліз, окисне розщеплення, розщеплення за специфічними фрагментами, наприклад, залишками метіоніну при встановленні будови пептидів і білків, розщеплення по 1,2-діольним угрупованням вуглеводів та ін.). -хімічної хімії із застосуванням мас-спектрометрії, різних видів оптичної спектроскопії (ІЧ, УФ, лазерної та ін), рентгеноструктурного аналізу, ядерного магнітного резонансу, електронного парамагнітного резонансу, дисперсії оптичного обертання та кругового дихроїзму, методів швидкої кінетики та ін. з розрахунками на ЕОМ. Для швидкого вирішення стандартних завдань, пов'язаних із встановленням структури ряду біополімерів, створені та знаходять широке застосування автоматичні пристрої, принцип дії яких ґрунтується на стандартних реакціях та властивостях природних та біологічно активних сполук. Це аналізатори для визначення кількісного амінокислотного складу пептидів, секвенатори для підтвердження або встановлення послідовності амінокислотних залишків в пептидах і нуклеотидної послідовності в нуклеїнових кислотах та ін. Важливе значення при вивченні будови складних біополімерів має використання ферментів, специфично Такі ферменти використовуються при вивченні будови білків (трипсин, протеїнази, що розщеплюють пептидні зв'язки по залишках глутамінової кислоти, проліну та іншим амінокислотним залишкам), нуклеїнових кислот і полінуклеотидів (нуклеази, рестриктази), углеводсодержащих полімерів (глікозиду). , глюкуронідази і т.д.). Для підвищення результативності досліджень аналізу піддають не тільки природні сполуки, але і їх похідні, що містять характерні угруповання, що спеціально вводяться, і мічені атоми. Такі похідні отримують, наприклад, шляхом вирощування продуцента на середовищі, що містить мічені амінокислоти або інші попередники радіоактивні, до складу яких входять тритій, радіоактивний вуглець або фосфор. Достовірність даних, одержуваних щодо складних білків, значно підвищується, якщо це вивчення проводять у комплексі з дослідженням будови відповідних генів.
- Хімічний синтез та хімічна модифікація досліджуваних сполук, включаючи повний синтез, синтез аналогів та похідних. Для низькомолекулярних сполук важливим критерієм правильності встановленої структури досі зустрічний синтез. Розробка методів синтезу природних та біологічно активних сполук необхідна для вирішення наступного важливого завдання біоорганічної хімії – з'ясування зв'язку їх будови та біологічної функції.
- З'ясування зв'язку будови та біологічних функцій біополімерів та низькомолекулярних біорегуляторів; вивчення хімічних механізмів їхньої біологічної дії. Цей аспект біоорганічної хімії набуває все більшого практичного значення. Удосконалення арсеналу методів хімічного і хіміко-ферментативного синтезу складних біополімерів (біологічно активних пептидів, білків, полінуклеотидів, нуклеїнових кислот, включаючи активно функціонуючі гени) в сукупності з дедалі більш удосконалюється технікою синтезу відносно більш простих біорегуляторів, розуміти залежність біологічної дії від будови сполук. Використання високоефективної обчислювальної техніки дає можливість об'єктивно зіставляти численні дані різних дослідників та знаходити загальні закономірності. Знайдені приватні і загальні закономірності, своєю чергою, стимулюють і полегшують синтез нових сполук, що у низці випадків (наприклад, щодо пептидів, які впливають діяльність мозку) дозволяє знаходити практично важливі синтетичні сполуки, перевершують за біологічної активності їх природні аналоги. Вивчення хімічних механізмів біологічної дії відкриває можливості створення біологічно активних сполук із заздалегідь заданими властивостями.
- Одержання практично цінних препаратів.
- Біологічне тестування отриманих сполук.
Становлення біоорганічної хімії. Історична довідка
Становлення біоорганічної хімії у світі відбувалося наприкінці 50-х – на початку 60-х рр., коли основними об'єктами досліджень у цій галузі стали чотири класи органічних сполук, що відіграють ключову роль у житті клітини та організму, – білки, полісахариди та ліпіди. Видатні досягнення традиційної хімії природних сполук, такі як відкриття Л. Полінгом α-спіралі як одного з головних елементів просторової структури поліпептидного ланцюга в білках, встановлення А. Тоддом хімічної будови нуклеотидів і перший синтез динуклеотиду, розробка Ф. Сенгер методу визначення амінокислот і розшифрування з його допомогою структури інсуліну, синтез Р. Вудвордом таких складних природних сполук, як резерпін, хлорофіл і вітамін В 12 синтез першого пептидного гормону окситоцину, ознаменували, по суті, перетворення хімії природних сполук в сучасну біоорганічну природну сполуку.
Однак у нашій країні інтерес до білків і нуклеїнових кислот виник значно раніше. Перші дослідження з хімії білка та нуклеїнових кислот було розпочато ще в середині 20-х рр. ХХ ст. у стінах Московського університету, і саме тут склалися перші наукові школи, які успішно працюють у цих найважливіших галузях природознавства і донині. Так було в 20-ті гг. з ініціативи Н.Д. Зелінського було розпочато систематичні дослідження з хімії білка, головним завданням яких було з'ясування загальних принципів будови білкових молекул. Н.Д. Зелінський створив першу в нашій країні лабораторію хімії білка, в якій було виконано важливі роботи із синтезу та структурного аналізу амінокислот та пептидів. Визначна роль розвитку цих робіт належить М.М. Ботвинник та її учням, які досягли вражаючих результатів у вивченні структури та механізму дії неорганічних пірофосфатаз, ключових ферментів фосфорного обміну в клітині. Наприкінці 40-х рр., коли стала вимальовуватися провідна роль нуклеїнових кислот у генетичних процесах, М.А. Прокоф'єв та З.А. Шабарова розпочали роботи з синтезу компонентів нуклеїнових кислот та його похідних, поклавши цим початок хімії нуклеїнових кислот нашій країні. Були здійснені перші синтези нуклеозидів, нуклеотидів та олігонуклеотидів, зробив великий внесок у створення вітчизняних автоматичних синтезаторів нуклеїнових кислот.
У 60-ті роки. цей напрямок у нашій країні розвивався послідовно та стрімко, найчастіше випереджаючи аналогічні кроки та тенденції за кордоном. У становленні біоорганічної хімії велику роль відіграли фундаментальні відкриття О.М. Білозерського, що довело існування ДНК у вищих рослинах і систематично вивчав хімічний склад нуклеїнових кислот, класичні дослідження В.А. Енгельгардта та В.А. Белицера з окислювального механізму фосфорилювання, всесвітньо відомі дослідження О.Є. Арбузова з хімії фізіологічно активних фосфорорганічних сполук та фундаментальні роботи І.М. Назарова та Н.А. Преображенського із синтезу різноманітних природних речовин та їх аналогів та інші роботи. Найбільші досягнення у створенні та розвитку біоорганічної хімії у СРСР належать академіку М.М. Шемякіну. Їм, зокрема, було розпочато роботи з вивчення атипових пептидів - депсипептидів, які згодом набули широкого розвитку у зв'язку з їхньою функцією як іонофорів. Талант, прозорливість та кипуча діяльність цього та інших вчених сприяли швидкому зростанню міжнародного авторитету радянської біоорганічної хімії, її консолідації на найбільш актуальних напрямках та організаційному зміцненню в нашій країні.
Наприкінці 60-х – на початку 70-х років. у синтезі біологічно активних сполук складної структури почали застосовувати як каталізатори ферменти (т.зв. комбінований хіміко-ферментативний синтез). Цей підхід був використаний Г. Кораною для першого синтезу гена. Використання ферментів дозволило здійснити строго вибіркове перетворення низки природних сполук і отримати з високим виходом нові біологічно активні похідні пептидів, олігосахаридів та нуклеїнових кислот. У 70-х роках. найбільш інтенсивно розвивалися такі розділи біоорганічної хімії як синтез олігонуклеотидів та генів, дослідження клітинних мембран та полісахаридів, аналіз первинної та просторової структур білків. Було вивчено структури важливих ферментів (трансаміназу, β-галактозидазу, ДНК-залежну РНК-полімеразу), захисних білків (γ-глобуліни, інтерферони), мембранних білків (аденозинтрифосфатази, бактеріородопсин). Велике значення набули роботи з вивчення будови та механізму дії пептидів – регуляторів нервової діяльності (т.зв. нейропептиди).
Сучасна вітчизняна біоорганічна хімія
Нині вітчизняна біоорганічна хімія посідає провідні позиції у світі за низкою ключових напрямів. Досягнуто великих успіхів у дослідженні структури та функції біологічно активних пептидів та складних білків, включаючи гормони, антибіотики, нейротоксини. Важливі результати отримані у хімії мембранно-активних пептидів. Досліджено причини унікальної вибірковості та ефективності дії диспепсидів-іонофорів та з'ясовано механізм із функціонування в живих системах. Отримано синтетичні аналоги іонофорів із заданими властивостями, що у багато разів перевершують за ефективністю природні зразки (В.Т. Іванов, Ю.А. Овчинников). Унікальні властивості іонофорів використовуються для створення на їх основі іонселективних датчиків, що набули широкого поширення в техніці. Успіхи, досягнуті щодо іншої групи регуляторів - нейротоксинів, є інгібіторами передачі нервових імпульсів, сприяли їх широкого використання як інструменти вивчення мембранних рецепторів та інших специфічних структур клітинних мембран (Е.В. Гришин). Розвиток робіт із синтезу та вивчення пептидних гормонів призвело до створення високоефективних аналогів гормонів окситоцину, ангіотензину II та брадикініну, відповідальних за скорочення гладкої мускулатури та регуляцію кров'яного тиску. Великим успіхом став повний хімічний синтез інсулінових препаратів, зокрема інсуліну людини (Н.А. Юдаев, Ю.П. Швачкін та інших.). Відкрито та вивчено ряд білкових антибіотиків, у тому числі граміцидин S, поліміксин М, актиноксантин (Г.Ф. Гаузе, А.С. Хохлов та ін.). Активно розвиваються роботи з дослідження структури та функції мембранних білків, що здійснюють рецепторні та транспортні функції. Отримано фоторецепторні білки родопсин та бактеріородопсин та вивчено фізико-хімічні основи їх функціонування як світлозалежні іонні насоси (В.П. Скулачов, Ю.А. Овчинников, М.А. Островський). Широко досліджуються будова та механізм функціонування рибосом - основних систем біосинтезу білків у клітині (А.С. Спірін, А.А. Богданов). Великі цикли досліджень пов'язані з вивченням ферментів, визначенням їх первинної структури та просторової будови, вивченням каталітичних функцій (аспартатамінотрансферази, пепсин, хімотрипсин, рибонуклеази, ферменти фосфорного обміну, глікозидази, холінестерази та ін.). Розроблено методи синтезу та хімічної модифікації нуклеїнових кислот та їх компонентів (Д.Г. Кнорре, М.М. Колосов, З.А. Шабарова), розробляються підходи до створення на їх основі ліків нового покоління для лікування вірусних, онкологічних та аутоімунних захворювань. З використанням унікальних властивостей нуклеїнових кислот та на їх основі створюються діагностичні препарати та біосенсори, аналізатори низки біологічно активних сполук (В.А. Власов, Ю.М. Євдокимов та ін.)
Значних успіхів досягнуто в синтетичній хімії вуглеводів (синтез бактеріальних антигенів та створення штучних вакцин, синтез специфічних інгібіторів сорбції вірусів на клітинній поверхні, синтез специфічних інгібіторів бактеріальних токсинів (Н.К. Кочетков, А.Я. Хорлін)). Істотних успіхів досягнуто щодо ліпідів, липоаминокислот, липопептидов і ліпопротеїнів (Л.Д. Бергельсон, Н.М. Сисакян). Розроблено методи синтезу багатьох біологічно активних жирних кислот, ліпідів та фосфоліпідів. Вивчено трансмембранний розподіл ліпідів у різних видах ліпосом, у бактеріальних мембранах та у мікросомах печінки.
Важливим напрямом біоорганічної хімії є вивчення різноманітних природних та синтетичних речовин, здатних регулювати різні процеси, що протікають у живих клітинах. Це репеленти, антибіотики, феромони, сигнальні речовини, ферменти, гормони, вітаміни та інші (т.зв. низькомолекулярні регулятори). Розроблено методи синтезу та виробництва практично всіх відомих вітамінів, значної частини стероїдних гормонів та антибіотиків. Розроблено промислові методи одержання низки коферментів, що застосовуються як лікувальні препарати (коензим Q, піридоксальфосфат, тіамінпірофосфат та ін.). Запропоновано нові сильні анаболітики, що перевершують за дією відомі зарубіжні препарати (І.В. Торгів, С.М. Ананченко). Досліджено біогенез та механізми дії природних та трансформованих стероїдів. Істотних успіхів досягнуто у вивченні алкалоїдів, стероїдних і тритерпенових глікозидів, кумаринів. Оригінальні дослідження виконані в галузі хімії пестицидів, які призвели до випуску низки цінних препаратів (І.М. Кабачник, Н.М. Мельников та ін.). Ведеться активний пошук нових лікарських препаратів, необхідні лікування різноманітних захворювань. Отримано препарати, що довели свою ефективність при лікуванні ряду онкологічних захворювань (допан, сарколізин, фторафур та ін.).
Пріоритетні напрямки та перспективи розвитку біоорганічної хімії
Пріоритетними напрямками наукових досліджень у галузі біоорганічної хімії є:
- дослідження структурно-функціональної залежності біологічно активних сполук;
- дизайн та синтез нових біологічно активних препаратів, включаючи створення лікарських засобів та засобів захисту рослин;
- дослідження високоефективних біотехнологічних процесів;
- дослідження молекулярних механізмів процесів, які у живому організмі.
Орієнтовані фундаментальні дослідження в галузі біоорганічної хімії спрямовані на вивчення структури та функції найважливіших біополімерів та низькомолекулярних біорегуляторів, у тому числі білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів, алкалоїдів, простагландинів та інших сполук. Біоорганічна хімія тісно пов'язана з практичними завданнями медицини та сільського господарства (отримання вітамінів, гормонів, антибіотиків та інших лікарських засобів, стимуляторів росту рослин та регуляторів поведінки тварин та комах), хімічної, харчової та мікробіологічної промисловості. Результати наукових досліджень є основою для створення науково-технічної бази технологій виробництва сучасних засобів медичної імунодіагностики, реагентів для медико-генетичних досліджень та реактивів для біохімічного аналізу, технологій синтезу субстанцій лікарських препаратів для застосування в онкології, вірусології, ендокринології, гастроентерології та хімічних засобів захисту рослин та технологій їх застосування для сільського господарства.
Вирішення основних проблем біоорганічної хімії важливе для подальшого прогресу біології, хімії та низки технічних наук. Без з'ясування будови та властивостей найважливіших біополімерів та біорегуляторів не можна пізнати сутність життєвих процесів, а тим більше знайти шляхи управління такими складними явищами, як розмноження та передача спадкових ознак, нормальний та злоякісний ріст клітин, імунітет, пам'ять, передача нервових імпульсів та багато іншого. В той же час вивчення високоспеціалізованих біологічно активних речовин і процесів, що протікають за їх участю, може відкрити нові можливості для розвитку хімії, хімічної технології та техніки. До проблем, вирішення яких пов'язане з дослідженнями в галузі біоорганічної хімії, відноситься створення строго специфічних високоактивних каталізаторів (на основі вивчення будови та механізму дії ферментів), пряме перетворення хімічної енергії на механічну (на основі вивчення м'язового скорочення), використання в техніці хімічних принципів зберігання та передачі інформації, що здійснюються в біологічних системах, принципів саморегулювання багатокомпонентних систем клітини, насамперед виборчої проникності біологічних мембран, та багато ін. пункти у розвиток біохімічних досліджень, які стосуються вже області молекулярної біології. Широта і важливість вирішуваних проблем, різноманітність методів та тісний зв'язок з іншими науковими дисциплінами забезпечують швидкий розвиток біоорганічної хімії. Вісник Московського Університету, серія 2, Хімія. 1999. Т. 40. № 5. С. 327-329.
Бендер М., Бергерон Р., Коміяма М. Біоорганічна хімія ферментативного каталізу. Пров. з англ. М.: Світ, 1987. 352 з.
Яковішин Л.А. Вибрані глави біоорганічної хімії. Севастополь: Стрижак-прес, 2006. 196 З.
Миколаїв А.Я. Біологічна хімія. М.: Медичне інформаційне агентство, 2001. 496 З.
