1. Предмет органической химии

Органические вещества в своем составе наряду с другими элементами всегда содержат углерод. Изучение соединений углерода – их строения, химических превращений – и составляет предмет органической химии.

Вещества органические и неорганические.

Наряду с углеродом в состав органических веществ чаще всего входят водород, кислород и азот, сравнительно реже – сера, фосфор, галогены и другие элементы. Известно несколько миллионов органических соединений, неорганических же веществ значительно меньше. Из всех химических элементов только углерод образует такое большое число органических соединений.

С органическими веществами мы встречаемся на каждом шагу. Они содержатся во всех растительных и животных организмах, входят в состав нашей пищи, служат материалом для изготовления одежды, образуют различные виды топлива, используются нами в качестве лекарств, красителей, средств защиты урожая и т. д.

Резкой грани между органическими и неорганическими веществами не существует. Оксиды углерода, угольная кислота, ее соли и некоторые другие вещества по наличию в них углерода должны считаться органическими, но по свойствам они близки к неорганическим соединениям подобного типа и изучаются обычно в неорганической химии.

С органическими веществами человек знаком с давних времен. Наши далекие предки применяли природные красители для окраски тканей, использовали в качестве продуктов питания растительные масла, животные жиры, тростниковый сахар, получали уксус брожением спиртовых жидкостей.

В настоящее время синтезированы многие органические вещества, не только имеющиеся в природе, но и не встречающиеся в ней: многочисленные пластмассы, различные виды каучуков, всевозможные красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты.

Синтетически полученных веществ сейчас известно даже больше, чем найденных в природе, и число их быстро растет. Осуществляются синтезы самых сложных органических веществ – белков.

Название науки «органическая химия», утратив первоначальный смысл, приобрело в связи с этим более широкое толкование.

Можно сказать, что такое название получило и новое подтверждение, так как ведущей познавательной задачей современной органической химии является глубокое изучение процессов, происходящих в клетках организмов на молекулярном уровне, выяснение тех тонких механизмов, которые составляют материальную основу явлений жизни.

Изучение химии органических веществ, таким образом, расширяет наши знания о природе.

Термин орг.химия был введен Берцелиусом. Синтезировал орг.соединения Веллер в 1928 г.

Теория по которым развивалась орг.химия теория радикалов, теория типов.

В 1861 г. Бутлеров создал теорию строения органических в-в.

Теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова

Теория химического строения объясняет многообразие органических соединений. Оно обусловлено способностью четырехвалентного углерода образовывать углеродные цепи и кольца, соединяться с атомами других элементов и наличием изомерии химического строения органических соединений. Эта теория заложила научные основы органической химии и объяснила ее важнейшие закономерности. Основные принципы своей теории А.М. Бутлеров изложил в докладе «О теории химического строения».

Основные положения теории строения сводятся к следующему:

1) в молекулах атомы соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется химическим строением;

2) свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой, т. е. от химического строения молекулы;

3) атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга.

В теории химического строения большое внимание уделяется взаимному влиянию атомов и групп атомов в молекуле.

Химические формулы, в которых изображен порядок соединения атомов в молекулах, называются структурными формулами или формулами строения.

Значение теории химического строения А.М. Бутлерова:

1) является важнейшей частью теоретического фундамента органической химии;

2) по значимости ее можно сопоставить с Периодической системой элементов Д.И. Менделеева;

3) она дала возможность систематизировать огромный практический материал;

4) дала возможность заранее предсказать существование новых веществ, а также указать пути их получения.

Теория химического строения служит руководящей основой во всех исследованиях по органической химии

2. Витамины и коферменты.

Витамины — низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для осуществления важнейших процессов, протекающих в живом организме. Для нормальной жизнедеятельности человека витамины необходимы в небольших количествах, но так как в организме они не синтезируются в достаточном количестве, то должны поступать с пищей в качестве необходимого ее компонента. Их отсутствие или недостаток в организме вызывает гиповитаминозы (болезни в результате длительного недостатка) и авитаминозы (болезни в результате отсутствия витаминов). При приеме витаминов в количествах, значительно превышающих физиологические нормы, могут развиваться гипервитаминозы.

Для многих витаминов в настоящее время уже выяснена их специфическая роль в метаболизме. Во всех случаях они функционируют как часть большой молекулы вещества, названного коферментом. Кофермент служит своего рода партнером фермента и субстратом для осуществления некоторых реакций. Авитаминоз, возникающий при недостаточности того или иного витамина, есть следствие нарушений в метаболизме, вызванных нехваткой кофермента.

Витамины были открыты в конце 19 столетия русскими учеными Н.И. Лунин и В.В Пашутин. В 1912 г. Польский ученый К.Функ предложил витамины называть витаминами

Витамины не являют¬ся поставщиками энергии и не имеют существенного структурного значе¬ния. Вместе с тем существуют витагены - витаминоподобные вещества, которые требуются в больших количествах по сравнению с собственно ви¬таминами и выполняют в основном структурную роль (холин, инозит, ПНЖК и др.) Витамины классифицируются на водорастворимые (группа В, С, Р, РР) и жирорастворимые (A, D, Е, К). Номенклатура (система названий) ви¬таминов базируется на трех принципах: •    По буквам латинского алфавита - А, В, С, D и др. •   По особенностям химического строения - тиамин, рибофлавин и др. •   По болезни, развивающейся при отсутствии данного витамина, с при¬ставкой "анти" - антиневритный, антирахитный, антицинготный и др. Авитаминоз - последствие полного отсутствия витамина в организ¬ме гиповитаминоз - его нехватки. Первичный (экзогенный) гиповитами¬ноз развивается при недостаточном поступлении витамина с пищей, вто¬ричный (относительный) - при повышенной потребности в витамине (бе¬ременность, труд в горячих цехах и др.), нарушении всасывания витамина в желудочно-кишечном тракте или при действии антивитаминов - ве¬ществ, прочно связывающих и разрушающих витамины или конкурирую-щих с ними. Большинство водорастворимых витаминов входят в состав кофер-ментов (коэнзимов), часто представляющих собой нуклеотиды или нук-леотид-подобные структуры. В свою очередь коферменты являются важ¬нейшей составной частью ферментов - биокатализаторов химических ре¬акций. Нехватка витаминов и витамин-минеральных комплексов в орга¬низме приводит к нарушениям обмена веществ и сопровождается общими клиническими проявлениями: вялость, быстрая утомляемость, нарушение сна, расстройство аппетита, похудание и др.

Классификация, номенклатура витаминов и их специфические функции в организме человека.

Витамин	Витамеры	Активные формы витаминов	Специфические функции витаминов
Водорастворимые витамины
Витамин С	Аскорбиновая кислота, дегидро-аскорбиновая кислота	Не известны	Участвует в гидроксилировании пролина в оксипролин в процессе созревания коллагена
Тиамин (витамин В1)	Тиамин	Тиаминдифосфат (ТДФ, тиаминпирофосфат, кокарбоксилаза)	В форме ТДФ является коферментом ферментов углеводно- энергетического обмена
Рибофлавин (витамин В2)	Рибофлавин	Флавинмононуклеотид (ФМН), флавин-адениндинуклеотид (ФАД)	В форме ФМН и ФАД образует простетические группы флавиновых оксидоредуктаз - ферментов энергетического, липидного, аминокислотного обмена
Пантотеновая кислота (устаревшее название – витамин В5)	Пантотеновая кислота	Кофермент А (коэнзим А; КоА)	В форме КоА участвует в процессах биосинтеза, окисления и других превращениях жирных кислот и стеринов (холестерина, стероидных гормонов), в процессах ацетилирования, синтезе ацетилхолина
Витамин В6	Пиридоксаль, пиридоксин, пиридоксамин	Пиридоксальфосфат (ПАЛФ)	В форме ПАЛФ является коферментом большого числа ферментов азотистого обмена (трансаминаз, декарбоксилаз аминокислот) и ферментов, участвующих в обмене серосодержащих аминокислот, триптофана, синтезе гема
Витамин В12 (кобаламины)	Цианокобал-амин, окси-кобаламин	Метилкобаламин (СН3В12), дезоксиаденозил-кобаламин (дАВ12)	В форме СН3В12 участвует в синтезе метионина из гомоцистеина; в форме дАВ12 участвует в расщеплении жирных кислот и аминокислот с разветвленной цепью или нечетным числом атомов углерода
Ниацин (витамин РР)	Никотиновая кислота, никотинамид	Никотинамидаденин- динуклеотид (НАД); никотинамид-адениндинуклеотид- фосфат (НАДФ)	В форме НАД и НАДФ является первичным акцептором и донором электронов и протонов в окислительно-восстановительных реакциях, катализируемых различными дегидрогеназами
Фолат (устаревшее название - витамин Вс)	Фолиевая кислота, полиглю- таматы фолиевой кислоты	Тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК)	В форме ТГФК осуществляет перенос одноуглеродных фрагментов при биосинтезе пуриновых оснований, тимидина, метионина
Биотин (устаревшее название - витамин Н)	Биотин	Остаток биотина, связанный с e-аминогруппой остатка лизина в молекуле апофермента	Входит в состав карбоксилаз, осуществляющих начальный этап биосинтеза жирных кислот
Жирорастворимые витамины
Витамин А	Ретинол, ретиналь, ретиноевая кислота, ретинола ацетат	Ретиналь, ретинилфосфат	В форме ретиналя входит в состав зрительного пигмента родопсина, обеспечивающего восприятие света (превращение светового импульса в электрический). В форме ретинилфосфата участвует как переносчик остатков сахаров в биосинтезе гликопротеидов
Витамин D (кальци- феролы)	Эргокальци- ферол (D2); холекальци- ферол (D3)	1,25-Диоксихоле-кальциферол (1,25-(ОН)2-D3)	Гормон, участвующий в поддержании гомеостаза кальция в организме; усиливает всасывание кальция и фосфора в кишечнике и его мобилизацию из скелета; влияет на дифференцировку клеток эпителиальной и костной ткани, кроветворной и иммунной систем
Витамин Е (токоферолы)	α-, β-, γ-, δ-токоферолы	Наиболее активная форма α-токоферол	Выполняет роль биологического антиоксиданта, инактивирующего свободнорадикальные формы кислорода, защищает липиды биологических мембран от перекисного окисления
Витамин К	Филлохинон (витамин К1); менахиноны (витамины К2) 2-метил-1,4-нафтохинон (менадион, витамин К3)	Дигидровитамин К	Участвует в превращении препротромбина в протромбин, а также в аналогичных превращениях некоторых белков, участвующих в процессе свертывания крови, и костного белка остеокальцина

Прием витаминов в дозах, существенно превышающих физиологическую потребность, может привести к нежелательным побочным эффектам, а иногда и к тяжелой интоксикации. Подобные патологические состояния называют гипервитаминозами. Особенно опасно применение высоких доз витаминов D и А.

Водорастворимые витамины значительно легче выводятся из организма, и лишь превышение физиологической дозы в десятки и сотни раз, особенно при парентеральном введении, может обусловить возникновение неспецифических побочных эффектов (тошноты, диареи, крапивницы), быстро исчезающих при отмене препаратов, вызвавших гипервитаминоз или при коррекции рациона.

Коферменты

Коферменты, или коэнзимы — малые молекулы небелковой природы, специфически соединяющиеся с соответствующими белками, называемыми апоферментами, и играющие роль активного центра или простетической группы молекулы фермента.

Комплекс кофермента и апофермента образует целостную, биологически активную молекулу фермента, называемую холоферментом

Роль коферментов нередко играют витамины или их метаболиты (чаще всего — фосфорилированные формы витаминов группы B). Например, коферментом фермента карбоксилазы является тиаминпирофосфат, коферментом многих аминотрансфераз — пиридоксаль-6-фосфат.

В металлоферментах роль, аналогичную роли коферментов, могут исполнять катионы металлов, однако коферментами их обычно не называют.

4. Ферменты — сложные органические вещества, которые образуются в живой клетке и играют важную роль катализатора всех процессов, происходящих в организме. Большинство из них состоит из двух компонентов: белкового (апофермент) и небелкового (кофермент). В активную часть входят: железо, марганец, кальций, медь, цинк, а также некоторые витамины. Кофермент становится активным тогда, когда соединяется с апоферментом. Будучи белковыми веществами, ферменты при нагревании до 54 oС необратимо коагулируют (сворачиваются) и теряют свои каталитические действия. Также они легко разрушаются под действием кислорода и света. Все процессы обмена веществ: белковый, углеводный, жировой, витаминный, минеральный — протекают при содействии ферментов. При нормальном атмосферном давлении и температуре 37 oС в живом организме эти процессы протекают быстро, сберегая большое количество энергии. Установлено, что существует связь между ферментами, гормонами и витаминами. Известно, что авитаминозы и болезни, вызванные неправильной внутренней секрецией, объясняются нарушением обменных процессов организма. С сырой пищей 60—80% ферментов достигают тонких кишок без изменений. Витамин Е, которым насыщена свежая растительная пища, играет роль защитного фактора ферментов.

Функции ферментов Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность — константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10−10 моль/л и менее. Ферменты широко используются в народном хозяйстве — пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии. Классификация ферментов КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ. КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов. КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата. КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза