Полифункциональные производные органических соединений. Учебное пособие

Во – вторых, снижается иммунитет, увеличивается число он- кологических заболеваний. Синтез сложнейших органиче- ских молекул, происходящий в живых системах, протекает в комфортных условиях - низкая температура, разбавленные водные растворы, атмосферное давление. Тогда как вся хи- мическая промышленность для осуществления синтеза ис- пользует огромные температуры, высокие давления, дорого- стоящие катализаторы. Перенос принципов, действующих в живой природе, на химическую технологию является одной из важнейших задач сегодняшнего дня. Многие положения этой дисциплины призваны подготовить студентов к реше- нию целого ряда практических задач современной химиче- ской технологии. Таким образом, органическая химия и био- химия, являясь общенаучными фундаментальными дисцип- линами, совершенно необходимы для специалиста с высшим химико-технологическим образованием. Студенты получат также много полезных сведений о веществах, которые мы употребляем в пищу, о лекарственных препаратах и других веществах, используемых в быту. Органические соединения были известны человеку с древнейших времен. Сам термин «органическая химия» возник именно потому, что первона- чально эта область естествознания занималась изучением ве- ществ, которые выделялись из растительных или животных организмов. С незапамятных времен люди умели выделять растительные масла из семян масленичных растений; полу- чать виноградное вино, а из него спирт; лекарства из расте- ний; эфирные масла для парфюмерии, для бальзамирования; красители из растений и животных (пурпур, ализарин, индиго

идр.).

Вначале XIX века органическая химия выделилась как отдельная область науки, основной задачей которой было изучение строения, химических и физических свойств моле- кул живых организмов, а также методов получения этих со- единений вне живых систем. Позднее появилось определение органической химии - это химия углеводородов и их произ- водных.

5

В середине XIX века появляется новая область науки, получившая название биологическая химия, основной задачей которой стало изучение поведения органических молекул в живой клетке растений, животных, человека: процессы био- синтеза органических соединений, их деградация, местона- хождение в живой клетке, а также их роль в процессах жиз- недеятельности. Все химические реакции органических моле- кул, протекающие в живых системах, стали называть терми- ном «обмен веществ» или метаболизм, а изменения энергии, сопровождающие эти процессы – обмен энергии.

Взаимосвязь двух научных дисциплин можно проиллю- стрировать схемой:

Хаотический набор молекул из живых организмов

Развиваясь параллельно, эти две отрасли науки постоян- но тесно соприкасаются друг с другом. Можно с уверенно- стью сказать, что успехи биологической химии определялись развитием органической химии, совершенствованием мето- дов синтеза органических молекул, углубленным исследова- нием природных молекул всем арсеналом современных фи- зических методов. Таким образом, биохимия это наука, изу- чающая обмен веществ в живой клетке и, сопровождающий эти химические реакции биосинтеза (анаболизм) и деграда- ции (катаболизм) обмен энергии (изменение энергии). Тради- ционно биохимия делится на два раздела: статическую био-

6

химию, изучающую химический состав живых организмов («молекулы жизни»), их химические, физические свойства in vitro, т.е. вне живых систем, и динамическую биохимию, кото- рая изучает сущность обмена веществ, т.е. пути превращения органических молекул в процессах жизнедеятельности.

В этой части дисциплины «органическая химия и осно-

вы биохимии» будут рассмотрены те классы органических со- единений, многие представители которых участвуют в по- строении живой материи и в обмене веществ. К таким веще- ствам относятся соединения со смешанными функциями, т.е. содержащие несколько разных функциональных групп. Мы рассмотрим классы оксокислот и гидроксикислот, которые в учебниках по биохимии обычно не рассматриваются. Эти разделы традиционно принадлежат органической химии. В биохимических курсах приводят лишь формулы отдельных представителей, участвующих в метаболизме. Нами будут рассмотрены такие классы соединений, как аминокислоты, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, которые традицион- но изучаются и в курсе органической химии, и в курсе био- химии.

1.ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ, РОЛИ ФЕРМЕНТОВ И МЕХАНИЗМЕ ИХ ДЕЙСТВИЯ

Важная роль в биохимических процессах принадлежит двум типам биомолекул: ферментам и макроэргическим со-

единениям. Ни одна химическая реакция в биосистемах меж- ду органическими молекулами не протекает без участия био- катализаторов - ферментов и макроэргических соединений, содержащих большой запас энергии в виде макроэргических связей.

Особенностями химических реакций между органиче- скими молекулами в живых организмах являются протекание их в разбавленных водных средах, при очень низкой концен- трации реагирующих веществ и при невысокой температуре живого тела. При этом реакции протекают без образования

7

побочных продуктов. Такие мягкие условия синтеза сложных органических веществ определяются участием в реакциях особых соединений – ферментов или биологических катали- заторов. В настоящее время известно, что все ферменты яв- ляются белковыми высокомолекулярными соединениями – биополимерами.

Классифицируют ферменты следующим образом: по составу и по их функциям в живых системах.

По составу все ферменты можно разделить на две гру-

пы:

1. Однокомпонентные ферменты построены только из белковых молекул и при гидролизе распадаются с образова- нием 20 α-аминокислот, из которых построены высокомоле- кулярные соединения – белки.

2. Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой молекулы и небелкового фрагмента, который получил назва- ние кофермент. Кофермент является активной частью фер- мента, т.е. именно с его участием протекают различные хи- мические реакции. Большинство витаминов являются кофер- ментами.

По функциям в живых системах ферменты делятся на шесть классов: оксидоредуктазы (ускоряют реакции окисле- ния-восстановления); трансферазы (ускоряют реакции пере- носа атомных групп и молекулярных остатков); гидролазы (ускоряют реакции гидролитического распада и синтеза); лиа- зы (ускоряют реакции негидролитического отщепления от субстратов определенных групп атомов с образованием двой- ной связи (или присоединением групп атомов по двойной связи); изомеразы (ускоряют реакции внутримолекулярных превращений); лигазы (ускоряют реакции синтеза, сопряжен- ные с распадом молекул - донаторов энергии (АТФ и др.)).

К оксидоредуктазам или ферментам, участвующим в окислительно-восстановительных реакциях, относятся НАД (никотинамидадениндинуклеотид), НАД∙Ф (никотинамида- дениндинуклеотидфосфат) и ФАД (флавинадениндинуклео- тид). Эти сложные биомолекулы состоят из двух нуклеоти-

8

дов. В свою очередь нуклеотиды состоят из азотсодержащего гетероцикла, сахара и фосфорной кислоты.

Строение НАД. Первый нуклеотид содержит в качест- ве азотсодержащего гетероцикла амид никотиновой кислоты, в качестве сахара β, Д-рибофуранозу, остаток фосфорной ки- слоты и имеет следующее строение:

O

Второй нуклеотид состоит из азотсодержащего гете- роцикла аденина, β, Д-рибофуранозы, остатка фосфорной ки- слоты – АМФ (аденозинмонофосфат):

Эти два нуклеотида объединяются ангидридной свя- зью за счет гидроксилов фосфорной кислоты:

OH

Активным центром, участвующим в окислительно- восстановительных реакциях, является фрагмент амида ни- котиновой кислоты, который легко и обратимо присоединяет водород:

9

Один электрон присоединяется к четырехкоординиро- ванному атому азота, атом водорода идет к С4, что приводит к образованию хиноидной структуры. В общем виде этот про- цесс записывается так:

НАД+ + Н2 → НАДН∙Н+ ( или НАД∙Н2). Строение НАД∙Ф. Структура НАД∙Ф отличается от

структуры НАД наличием остатка фосфорной кислоты у 2 атома углерода β, Д-рибофуранозы, связанной с гетероцик- лом аденином:

Строение ФАД. В молекуле ФАД, в отличие от НАД, вместо остатка никотиновой кислоты присутствует гетеро- цикл 6,7-диметил-9-рибитилизоллоксазин, который входит в состав витамина В2 (рибофлавина, отсюда и название «фла- вин»).

Молекула ФАД имеет следующее строение:

R

H3CNNO

10