1 курс / Биохимия / Химия лекции

При названии пуриновых нуклеозидов окончаниеИН меняется наОЗИН: аденозин, гуанозин. Если в состав нуклеозида входит 2-дезоксирибоза, – перед названием нуклеозида ставится приставка ДЕЗОКСИ:

9

N N O CH2OH

H H

H OH

Дезоксиаденозин

Пиримидиновые нуклеозиды получают окончаниеИДИН: цитидин, тимидин, уридин. Приставка дезоксиставится только перед нуклеозидом, содержащим цитозин, т.к. тимин может соединяться только с 2- дезоксирибозой, а урацил только с рибозой.

Мононуклеотиды

Это продукты взаимодействия нуклеозидов с фосфорной к-той. H3PO4 присоединяется по 5-ому или 3-ему атому углерода пентозы сложноэфирной связью.

При названии мононуклеотидов к названию нуклеозида приписывается цифра 5 и слово "фосфат", обозначающее остаток фосфарной к-ты – PO3H2: цитидин – 5 -фосфат, уридин -5 -фосфат, аденозин -5 -фосфат, дезоксигуанозин -5 -фосфат, дезоксицитидин-5 -фосфат. Мононуклеотиды являются структурными фрагментами НК, ферментов, витаминов (В2, НАД+).

Схема образования мононуклеотида:

Рибоза

Аденозин-5'-фосфат

Нуклеозид может присоединять два и три остатка фосфорной к-ты, образуя ди- и трифосфаты. При этом ангидридная связь между остатками фосфорной к-ты может быть макроэргической, т.е. содержать большой запас энергии. Это наблюдается в аденозинтрифосфате (АТФ). Одна такая связь при расщеп-

лении выделяет 32 кДж/моль.

Аденозинтрифосфат, аденозинтрифосфорная к-та, АТФ.

АТФ является аккумулятором энергии в организме, универсальным первоисточником фосфорной к-ты при различных жизненных процессах.

Строение НК Первичная структура НК представляет собой длинную цепь мононуклео-

тидов. Мононуклеотиды связаны, между собой за счет остатков фосфорной к- ты 3 , 5 - сложноэфирной связью:

Фрагмент уридин-5'-фосфата

Структура молекулы ДНК

д

Английские ученые Дж. Уотсон и Ф. Крик (1953) предложили пространственную модель молекулы ДНК. Согласно этой модели, макромолекула представляет собой спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены, внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидино-

вым основанием другой возникают водородные связи. Эти основания составляют комплементарные пары:

А=Т (соединены двумя Н- связями), Г Ц (три Н-связи).

Т.о., вторичная структура ДНКэто двойная спираль, образующаяся за счет Н- связей между комплементарными парами гетероциклических оснований и сил Ван дер Ваальса между азотистыми основаниями.

Водородные связи образуются между – NH группой одного основания и

Н-связи стабилизируют двойную спираль. Комплементарность цепей – химическая основа важнейших функций

ДНК– хранения и передачи наследственных признаков. В ДНК содержатся всего четыре основания (А, Г, Ц, Т). Кодирующей единицей для каждой АК белка является триплет (код из трех оснований). Участок молекулы ДНК, содержащий в последовательности своих нуклеотидов информацию о последовательности аминокислотных звеньев в синтезируемом белке, называют геном. В макромолекуле ДНК содержится много генов.

Однако нуклеотидная последовательность ДНК под действием различных факторов может подвергаться изменениям, которые называют мутациями. Наиболее распространенный вид мутации – замена какой-либо пары оснований на другую. Причина – сдвиг таутомерного равновесия. Например, замена обыч-

ной пары Т-А на пару Т-Г. При накоплении мутаций возрастает число ошибок в биосинтезе белка. Вторая причина возникновения мутации – химические факторы, а также различные виды излучений. Мутации под действием химических соединений имеют большое значение для управления наследственностью с целью ее улучшения – селекция сельскохозяйственных культур, создание штаммов микроорганизмов, производящих антибиотики, витамины, кормовые дрожжи.

Макромолекула РНК, как правило, представляет собой одну полипептидную цепь, принимающую различные пространственные формы, в том числе и спиралеобразные.

Молекулы ДНК находятся в ядрах клеток, а синтез белка осуществляется в цитоплазме на рибосомах при участии РНК, которые копируют генетическую информацию, переносят ее к месту синтеза белка, участвуют в процессе синтеза белка.

Нуклеотиды имеют большое значение не только как строительный материал для НК. Они участвуют в биохимических процессах, например в энергетическом обмене клетки (АТФ), переносе фосфатных групп, в окислительновосстановительных р-циях и др.

Успехи в изучении строения НК и их функции привели к развитию новой ветви биологический науки – генной инженерии, позволяющей управлять внутриклеточными процессами. Отсюда исключительные перспективы в решении проблем медицины (предупреждение и лечение болезней), промышленности (например, биотехнологии на основе использования новых микроорганизмов, которые, благодаря наличию новых генов, синтезируют новые соединения) и т.д. Эти научные достижения показывают, что в основе процессов жизнедеятельности организмов лежат реальные химические процессы, протекающие в клетках на молекулярном уровне.

Используемая литература:

1.Биоорганическая химия: учебник / Н.А. Тюкавкина, Ю.И. Бауков, С.Э. Зурабян. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. – 416 с.;

2.Органическая химия: учеб. Пособие для вузов/ А.М. Ким. – 4-е изд., испр. И доп. – Новосибирск: Сиб. Унив. Изд-во, 2004. – 844 с.

ЛЕКЦИЯ 7

Тема: Биологически активные высокомолекулярные вещества: липиды.

Цель лекции: изучение строения и химических свойств липидов и их роль в организме.

Содержание: строение, химические свойства простых и сложных липидов. Жиры. Строение химические свойства. Гидрогенизация жиров, реакции с галогенами. Роль непредельных кислот в организме. Фосфолипиды, строение, роль в обмене жиров. Неомыляемые липиды - холестерин, его строение. Биологическая роль и значение в медицине липидов и их производных.

Это большая группа природных органических соединений, разнообразных по своему химическому строению, как правило, хорошо растворимых в органических растворителях и плохо – в воде.

Роль в организме:

1)влияют на проницаемость клеточных мембран, участвуют в передаче нервного импульса, в создании межклеточных контактов;

2)ценный энергетический материал: 1 г жира дает 38,9 кДж энергии;

3)защитная функция: механическая, водо- и теплоизоляционная;

4)источник биологически активных вещ-в - непредельных карбоновых к-т, стеринов (холестерин), фосфолипидов;

5)растворители витаминов, основа для мазей, лекарств (на масле);

6)пластическая - для синтеза др. вещ-в, например, простагландинов - функционально замещенные жирные к-ты С20 и др.

Простые липиды - это вещ-ва, молекулы которых состоят из остатков жирных к-т и спиртов. Они имеют только сложно-эфирную связь. К ним относятся жиры, воски, стероиды. Они гидролизуются одним ферментом.

Сложные липиды содержат много компонентов. Это Н3РО4, углеводы, N-содержащие компоненты. У них имеются пептидные, гликозидные и сложноэфирные связи. Поэтому, для их гидролиза необходимо много ферментов. К сложным липидам относятся глицерофосфатиды, сфингофосфатиды, гликолипиды, некоторые стероиды (эфиры холестерина).

Нейтральные жиры

находятся в организме в двух формах:

1)протоплазматический жир - это внутриклеточный жир, имеющий постоянный качественный и количественный состав и при голодании, и при ожирении;

2)запасной, или резервный жир, количество которого постоянно меняет-

ся.

Химическое строение

Основную массу нейтральных жиров составляют триглицериды (триацилглицерины) - сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных к-т (ВМЖК). Чаще всего это стеариновая, пальмитиновая, линолевая, линоленовая, олеиновая к-ты. Если все три к-ты в молекуле одинаковые - это простой триглицерид, если разные - смешанный.

С Н 2 − O − CO − C17 H 35

|

Иногда положение к-т обозначают буквами или цифрами. Например, 1-олео- 2-пальмитостеарин.

Физико-химические свойства Они зависят от состава ВМЖК. Если к-ты - предельные, жиры - твердые,

химически малоактивны. Это, в основном, животные жиры. Если к-ты - непредельные, то жиры – жидкие (масла). Это, как правило, растительные масла.

В жире человека (темп. пл. +15 0С) содержится 70% олеиновой к-ты, в которой одна двойная связь расположена после 9 атома углерода ( 9). В остальных непредельных к-тах двойные связи чередуются через группы - СН2-, поэтому, их называют также полиеновыми к-тами.

Непредельные к-ты в организме не синтезируются и поступают с растительной пищей. Отсутствие их вызывает дерматиты, способствует возникновению атеросклероза. В сутки в организм должно отступать 4-8 г (min 1 г) непредельных к-т. Детям назначают кукурузное масло. Совокупность непредельных к-т называют витамином F. Из низкомолекулярных к-т в составе жира встречается масляная к-та.

Нейтральные жиры способны вступать в химические р-ции, свойственные непредельным к-там и сложным эфирам.

I. Для остатков непредельных к-т в жирах характерны р-ции АN. Это р-ции с На12, ННа1, Н2О, Н2, р-ции окисления.

1) В промышленности широко используется р-ция гидрогенизации жидких жиров с целью получения маргарина:

2)В клинике используется р-ция с I2. Йодное число - это масса йода в граммах, присоединяющегося к 100 г жира. Присоединение йода происходит по двойным связям. Чем больше значение йодного числа, тем выше степень ненасыщенности жирных к-т, входящих в состав триациглицеринов. Норма йодного числа - 64 г.

3)При окислении на свету кислородом воздуха в начале образуются пероксидные соединения по двойной связи, а затем, они разрушаются и образуются альдегиды и карбоновые к-ты с небольшим числом атомов С, сообщающие неприятный запах и горький вкус – идет процесс "прогоркания" жира. Это свойство жиров необходимо учитывать при изготовлении и хранении лекар-

ственных форм на жировой основе.

свет

R–CH=CH–(CH2)7–CH3 + 4O → R–COOH + HOOC–(CH2)7–CH3

Фрагмент олеиновой к-ты

При действии микроорганизмов образуются еще более короткоцепочечные одно- и двухосновные к-ты.

Предельные к-ты менее химически активны. Поэтому твердые жиры лучше хранятся, более удобны в употреблении, но хуже усваиваются. Поэтому, людям пожилого возраста и людям после операции их не рекомендуют.

II. Гидролиз жиров

Гидролиз просто в воде не происходит, т.к. жиры в воде практически не растворимы. Гидролиз в кислой среде приводит к образованию глицерина и смеси ВМЖК, используемых в производстве мыла и стеарина. Наибольшее значение имеет гидролиз в щелочной среде – процесс омыления. Щелочи эмульгируют жир, увеличивается поверхность контакта реагирующих веществ и, следовательно, скорость гидролиза. При этом образуются соли натрия или калия ВМЖК, называемые мылами (отсюда термин – омыление). Соли Na – дают твердое мыло, соли К – жидкое:

Для характеристики гидролиза жиров используют "число омыления" – масса мг КОН, необходимая для гидролиза 1 г жира.

Соли Na и K ВМЖК растворимы в воде, а Ca и Mg не растворимы. Поэтому стирка в жесткой воде требует перерасход мыла, т.к. прежде всего, нужно умягчить жесткую воду. В настоящее время получают большое количество синтетических моющих средств (СМС), в основном, сульфопроизводных высокомолекулярных углеводородов. Соли Ca и Mg в таких СМС хорошо растворимы, поэтому, и стирают в воде любой жесткости.

В организме гидролиз жиров идет под действием ферментов в тонком кишечнике активирующимся желчными к-тами. Соли желчных к-т содержатся в желчи, которая выделяется печенью и поступает в кишечник из желчного пузыря. Продукты гидролиза всасываются в тонком кишечнике и лимфой, и кровью переносятся в печень, где синтезируются жиры, свойственные данному организму. При большом поступлении они откладываются в запас и может наступить жировое перерождение печени, большое поступление в кровь приводит к

липемии. Однако, исключить жир из рациона нельзя в связи в большой ролью его в жизнедеятельности человека.

Воски – сложные эфиры ВМЖК и высших одноили двухатомных спиртов с C16 и более атомов углерода:

Они образуют защитную смазку на коже человека и животных, а также предохраняют растения от высыхания. Например, цетиловый эфир пальмитиновой к-ты – главный компонент спермацета. Спермацет содержится в спермацетовом масле. Раньше это масло извлекали из головы кашалотов и использовали в качестве основы при изготовлении различных мазей. Другой эфир паль-

митиновой к-ты – мирицилпальмитат – содержится в пчелином воске:

Важную группу сложных липидов составляют глицерофосфатиды, являющиеся производными фосфатидной к-ты. Это фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилэтаноламин (кефалины), фосфатидилсерин. Они составляют основ-

ную часть липидов организма. Особенно их много в нервной ткани и желтке яиц. Содержание фосфолипидов в организме составляет 7,9-18,7 ммоль/л.

К глицерофосфатидам относят также фосфатидилинозит и плазмалогены. Последние содержат остаток винилового спирта, связанный простой эфирной связью с глицеро-3-фосфатом.

Фосфатидная кислота. Фосфатиды

OH

Фосфатидная к-та

O CH2OC(CH2)nCH3

O

||

OH

Фосфатид (общая структура)

Как правило, в природных фосфатидах в положении 1 глицериновой цепи находится остаток насыщенной, в положении 2 – ненасыщенной к-т, а один из гидроксилов фосфорной к-ты этерифицирован многоатомным спиртом или аминоспиртом.

Примерами фосфатидов могут служить фосфатидилсерины, фосфатидилэтаноламины и фосфатидилхолины – соединения, в которых фосфатидные к-ты этерифицированы по фосфатному гидроксилу серином, этаноламином и холином соответственно:

Фосфолипиды являются основными компонентами клеточных мембран. За счет атома азота и остатка фосфорной к-ты – амфотерны, а за счет дифильности – проницаемости клеточных мембран. В организме лецитин легко образуется из серинфосфатидов, если донором метильных групп является метионин: