2 курс / Биохимия / Книжки и сборники / Biokhimia_dlya_chaynikov

Глава 3

Игры с углеродом:

органическая химия

»Углерод как базовый химический элемент в биохимии

»Сила взаимодействия различных видов связей

»Изучение функциональных групп

»Изомерия

олыиинство важных с биохимической точки зрения органических моле-

кул, состоит из атомов углерода. Следовательно, посвятив себя биохи-

мии, вам нужно иметь уверенные знания органической химии, которая

описывает поведение углеводных соединений в достаточной степени для по-

нимания функций и поведения биохимических молекул. В этой главе нам пред-

стоит рассмотреть базовые концепции органической химии, познакомиться с

разными функциональными группами и изомерами, играющими очень важную роль в биохимии. (Вне всяких сомнений вам придется вспомнить лекции и ла-

бораторные занятия по “ органике” .)

Роль углерода в изучении жизни

В прежние времена ученые верили, что все без исключения углеродные со- единения являются результатом биологических процессов. Это означало, что

органическая химия выступала синонимом биохимии в рамках так называемой теории жизненных сил. Однако, в средине 19 столетия такие исследователи,

важными оказываются двойные связи углерода с атомами кислоро- да. В табл. 3.1 собраны сведения о количестве возможных связей

углерода с некоторыми неметаллами, а также указаны способы ги-

бридизации таких связей.

н н н н н н

н с с с с с с н Гексан

нн н н н н

сн2чсн2/СН2

Рис. 3.7. Неразветвленное углеводородное соединение (вверху),

разветвленное углеводородное соединение (по середине), кольцевое углеводородное соединение (внизу)

Таблица 3.1.Возможные связи между углеродом и неметаллами

Окончание табл. 3.1

Сила превыше всего:связь укрепляет

В биохимии ковалентные связи образуются внутримолекулярными сила-

ми (существующими только внутри молекулы). Интерес также представляют

межмолекулярные силы, возникающие между химическими веществами. Кро-

ме всего прочего межмолекулярные силы в большой степени определяют

гидрофильные (водовосприимчивые) и гидрофобные (водоотталкивающие)

взаимодействия.

Есть у всех: межмолекулярные силы

Все межмолекулярные взаимодействия определяются силами Ван-дер-Ва-

альса — они не образуют настоящие связи, предполагающие обмен или пере-

нос электронов, и характеризуются более слабой силой притяжения. К таким силам относятся лондоновские дисперсионные силы, диполь-дипольные силы,

водородные связи и силы ионного взаимодействия.

Лондоновские дисперсионные силы

Лондоновские дисперсионные силы, возникающие тогда, когда облако элек-

тронов атома одной молекулы начинает взаимодействовать с ядром атома дру-

гой молекулы, являются очень слабыми и недолговечными. Они настолько

слабы, что учитываются только в отсутствии других типов межмолекулярных

взаимодействий.

Диполь-дипольные силы

Диполь-дипольные силы существуют между полюсами различных молекул.

Образование диполя предполагает формирование у молекулы частично поло- жительного (8+) и частично отрицательного (8-) концов. Противоположно за-

ряженные концы притягивают друг друга, в то время как концы с одинаковым

Углеводороды

Алканы — это углеводородные соединения, которые содержат только угле-

род и водород, без функциональных групп в привычном понимании, что определяет их слабую реакционную способность. Алкены и алкины — это тоже углеводороды. Они отличаются соответственно двойными и тройными

углерод-углеродными связями. Реакционная способность соединения повы- шается с увеличением количества таких связей. Ароматические углеводоро-

ды — обычно кольцевые структуры с меняющимися одинарными и двойными

углерод-углеродными связями — содержат одну или больше ароматических систем, которые заметно менее реактивные, чем остальные системы с двойны-

ми связями. Алкены в биологических системах встречаются не часто. Структу-

ра таких соединений показана на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Примеры алканов, алкенов, алкинов и ароматических углеводородов

Функциональные группы, включающие кислород и серу

Многие функциональные группы включают кислород. К ним относятся спирты, эфиры, альдегиды и кетоны. Вы сталкивались со многими из этих кислородсодержащих функциональных групп при изучении углеродов (наши любимые соединения). В углеводородах эфирные группы многократно повто-

ряются, соединяясь между собой с помощью гликозидных связей (см. глава 7).

Кроме того карбоновые кислоты и эфиры являются важными функциональны- ми группами, проявляющимися у жирных кислот, жиров и масел.

В состав спиртов и эфиров входят атомы кислорода только с простыми

одиночными связями. Фенол образуется при прикреплении спиртовой группы к ароматическому кольцу. Как органические кислоты, так и эфиры содержат атомы кислорода с простыми одиночными и двойными связями. Комбинация

атома углерода, связанного с атомом кислорода двойной связью, представляет

собой карбонильную группу.

Сера, элемент, расположенный в периодической таблице сразу под кисло- родом, может вытеснять кислород как из спиртов, так и из эфиров, с обра- зованием тиолов (меркаптан) и тиоэфиров. Многие из этих серосодержащих

соединений реально дурно пахнут! Сера также может образовывать дисульфид

со связью между двумя атомами серы. Структуры таких соединений показаны

на рис. 3.3.

R = Любая органическая (углеводородная) группа

R' = Любая органическая группа, совпадающая или не совпадающая с R

Рис. 3.3. Кислород- и серосодержащие функциональные группы

Функциональные группы, включающие азот

Амины и амиды относятся к наиболее важным функциональными группа-

ми, которые содержат азот. Амины представлены в аминокислотах и алкалои- дах. Амиды есть в белках, где они известны благодаря пептидным связям.

Отличие между аминами и амидами в наличии у амидов карбонильной

группы рядом с атомом азота. Амины являются производными аммиака NH3, в котором одна или несколько органических групп замещают атомы водоро-

да. В первичных аминах органическая группа замещает всего один атом во-

дорода. Во вторичных и третичных аминах две или три органические группы