a505b559_bioorganika_metodich_posobie-2013

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГБОУ ВПО МИНЗДРАВА РОССИИ

Кафедра медицинской химии

Потеряева О.Н., Гимаутдинова О.И., Сычева И.М., Тюрина Е.Э.

Методическое пособие по биоорганической химии для студентов 1 курса всех факультетов

Новосибирск - 2013

1

Потеряева О.Н., Гимаутдинова О.И., Сычева И.М., Тюрина Е.Э.

Учебно-методическое пособие по курсу биоорганической химии для студентов 1 курса всех факультетов.

Новосибирск, 2013.- 106 с.

В настоящем учебно-методическом пособии представлены основные разделы биоорганической химии, включающие аминокислоты, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды и стероиды. Рассмотрены также их функции в организме человека. Имеется раздел, посвященный основам биоэнергетики человеческого организма, где показана роль основных классов биоорганических веществ в получении энергии для жизнедеятельности.

Материал изложен на высоком профессиональном уровне и в то же время доступно для студентов младших курсов. Пособие содержит все важнейшие структурные формулы и реакции биоорганических соединений, примеры ситуационных задач и тестов по всем разделам. В пособии представлены вопросы и задания к каждому разделу, тематические лабораторные работы и примерный вариант итогового тестового контроля.

Рецензент д.м.н., профессор, заведующий

кафедрой фармакологии Грек О.Р.

Утверждено на заседании кафедры медицинской химии протокол №

Утверждено и рекомендовано к печати ЦМК по физиологии

@ Потеряева О.Н, Гимаутдинова О.И., Сычева И.М., Тюрина Е.Э.

@ Новосибирский Государственный медицинский университет

2

Оглавление

1.Введение……………………………………………………………………3

2.Аминокислоты……………………………………………………………..4

3.Пептиды и белки…………………………………………………………...14

4.Углеводы. Моно-, дисахариды…………….……………………………...28

5.Полисахариды……………………………………………………………...41

5.Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты…………………………………….53

6.Липиды. Перекисное окисление липидов………………………………..76

7.Стероиды. Основы биоэнергетики организма человека………………...90

8.Итоговый тестовый контроль (пример)…………………………………..96

Введение. Биоорганическая химия — наука, которая изучает связи между строением органических веществ и их биологическими функциями. Объектами изучения являются биологически важные природные и синтетические соединения, такие как биополимеры, витамины, гормоны, антибиотики, биологически активные вещества растительного происхождения, а также синтетические регуляторы биологических процессов (лекарственные препараты, пестициды и др.). Как самостоятельная наука сформировалась во второй половине XX века на стыке биохимии и органической химии и связана с практическими задачами медицины, химической, пищевой и микробиологической промышленности.

Развитие биоорганической химии связано с именами Л. Полинга (открытие α-спирали как одного из главных элеменов пространственной структуры белков), А. Тодда (химическое строение нуклеотидов и первый синтез динуклеотида), Ф. Сенгера (метод определения аминокислотной последовательности в белках и расшифровка структуры инсулина), Дю Виньо (синтез гормона окситоцина) и др. крупных ученых.

Внашей стране в становлении биоорганической химии огромную роль сыграли работы Н.Д. Зелинского (химия аминокислот), А.Н. Белозерского (один из основоположников молекулярной биологии, создание ДНКсистематики), И.Н. Назарова (синтез ряда физиологически активных соединений: промедола, стероидов) и др. Инициатором исследований по биоорганической химии в СССР в нач. 60-х гг. явился М.М. Шемякин. Он начал работы по изучению циклических депсипептидов (циклические пептиды, содержащие кроме пептидных сложноэфирные связи), которые обладают функцией ионофоров – веществ, осуществляющих перенос катионов металлов через мембраны клеток. Некоторые из них являются антибиотиками.

Вконце 60-х гг. при синтезе веществ сложной структуры начали применять в качестве катализаторов ферменты. Этот подход был использован Г. Кораной для первого синтеза гена. Использование ферментов позволило осуществить строго избирательное превращение ряда природных соединений и получить новые биологически активные производные пептидов, олигосахаридов и нуклеиновых кислот.

Литература

3

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

2.Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. — М.: Просвещение, 1987. 815 с.

ЗАНЯТИЕ № 1

Тема: АМИНОКИСЛОТЫ Цель: изучить строение, классификацию и реакции аминокислот в организме.

По окончании изучения темы студенты должны Знать: структуру 20 основных аминокислот, их классификацию, получение

биогенных аминов и функции этих соединений в организме.

Уметь: писать реакции трансдезаминирования, декарбоксилирования аминокислот

План практического занятия:

1.Аминокислоты: определение, строение, классификация, свойства и реакции в организме

2.Лабораторная работа № 1

3.Решение ситуационных задач и тестов

4.Домашнее задание: подготовиться к экспресс-контролю по аминокислотам, решить задачи. Подготовиться по теме «Белки».

Теоретическая часть

Аминокислоты - полифункциональные соединения, которые обязательно содержат карбоксильную группу, аминогруппу и могут содержать другие функциональные группы.

В организме человека основную роль играют 20 аминокислот, входящих в состав белков. Это α-аминокислоты, т.к. содержат аминогруппу в α-положении по отношению к карбоксигруппе.

Общая формула α-аминокислот:

α

H2N CH COOH

R

Классификация аминокислот

Наиболее распространена классификация α-аминокислот по строению боковых радикалов R.

Алифатические аминокислоты: глицин, аланин, валин, лейцин и изолейцин.

4

Остальные аминокислоты: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, метионин и пролин являются неполярными.

Аминокислоты также делят на заменимые и незаменимые. Незаменимые в достаточном количестве в организме не синтезируются и должны содержаться в белках пищи. К ним относят 8 аминокислот:

Еще две аминокислоты - гистидин и аргинин - необходимы маленьким детям и получили название «педиатрические» аминокислоты. У взрослых людей потребность в этих аминокислотах полностью удовлетворяется за счет синтеза. Тирозин и цистеин — условно заменимые, т. к. для их синтеза необходимы незаменимые фенилаланин и метионин.

Недостаточность в диете или нарушение всасывания хотя бы одной незаменимой аминокислоты приводит к снижению синтеза белков, т. е. к

замедлению роста (у детей), истощению, снижению иммунитета.

Остальные аминокислоты - заменимые. Они синтезируются в организме человека из α-кетокислот.

Свойства аминокислот

Оптическая изомерия аминокислот

Соединения, содержащие асимметричный атом углерода (связанный с четырьмя разными заместителями), имеют оптические изомеры. Оптические изомеры являются зеркальным отражением друг друга и не могут совместиться в пространстве. Структурно оптические изомеры относятся друг к другу, как правая и левая рука, поэтому асимметричный атом углерода называется хиральным центром (от греческого слова «chiros» - рука). Соединения, содержащие хиральный центр, оптически активны, т.к. их растворы вращают плоскость поляризованного света. В зависимости от направления вращения изомеры разделяют на правовращающие (D) и левовращающие (L). Все α-аминокислоты, кроме

7

глицина, содержат асимметричный атом углерода и существуют в виде двух оптически активных изомеров - энантиомеров:

Все аминокислоты, входящие в состав белков организма человека, относятся к оптическим L-изомерам. Бактерии и продукты их жизнедеятельности могут содержать аминокислоты D–ряда, но в организме человека они окисляются как чужеродные соединения (ксенобиотики) и в белки не встраиваются.

Кислотно-основные свойства аминокислот

В составе аминокислот есть хотя бы одна карбоксильная группа -СООН и одна аминогруппа – NH2. Поэтому они могут вести себя и как основания, и как кислоты, т. е. являются амфотерными соединениями.

В водной среде устанавливается равновесие между ионами аминокислоты в зависимости от рН:

Значение рН, при котором молекула аминокислоты электронейтральна (находится в виде биполярного иона, цвиттер-иона) и не двигается в электрическом поле, называется изоэлектрической точкой (рI). Например, для аланина рI=6,02. При любых значениях рН, превышающих рI, аминокислота имеет суммарный отрицательный заряд и движется в электрическом поле к положительно заряженному электроду (аноду). В растворах при физиологических значениях рН аминокислоты обычно находятся в виде цвиттер-ионов. При значении рН ниже рI аминокислота несет положительный заряд и движется к катоду. В области рН, близкой к их рК, аминокислоты обладают буферными свойствами, но при физиологических значениях рН только у гистидина буферная емкость существенна (рК имидозольной группы ≈ 6,0). Гемоглобин, выполняющий

в крови функцию буфера, содержит высокий процент гистидина.

8

То, что аминокислоты заметно отличаются по значениям рI, дает возможность разделять их с помощью электрофореза (движение заряженных частиц в поле постоянного тока).

Роль аминокислот в организме:

Аминокислоты входят в состав белков и пептидов.

А/к являются предшественниками биогенных аминов (нейромедиаторов и гормонов), некоторые аминокислоты сами могут выступать в качестве нейромедиаторов (глицин).

А/к могут окисляться, обеспечивая клетку АТФ.

А/к используются на синтез глюкозы, гема, нуклеотидов и многих других соединений.

Химические превращения аминокислот в организме

Декарбоксилирование аминокислот

Часть аминокислот, не использованных на синтез белка, в тканях подвергается декарбоксилированию:

В реакции декарбоксилирования образуются высокоактивные вещества - биогенные амины. Реакции декарбоксилирования катализируют ферменты - декарбоксилазы. Коферментом этих ферментов является активная форма витамина В6 – пиридоксальфосфат. Наиболее важные биогенные амины образуются при декарбоксилировании гистидина, глутаминовой кислоты, 5- гидрокситриптофана, серина, тирозина. При декарбоксилировании серина образуется этаноламин:

СН2ОН-СН(NH2)-СООН НО-СН2-СН2- NH2 + CO2

Этаноламин входит в состав фосфолипидов а также используется в синтезе еще одного биогенного амина – холина (см. «Липиды»):

+ CH3

HO-CH2-CH2-N CH3 CH3

При декарбоксилирования гистидина образуется гистамин. Синтез этого биогенного амина активируется и он выбрасывается в кровь при повреждении тканей (удар, ожог, действие аллергенов) а также под действием иммуноглобулинов и нейромедиаторов.

При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется-аминомасляная кислота (ГАМК), основной тормозной медиатор головного мозга (в том числе, медиатор физиологического сна):

СООН-СН2-СН2-СН (NН2)-СООН СООН-СН2-СН2-СН2-NН2 + СО2 Получение некоторых важных биогенных аминов сопряжено с

предварительным частичным окислением исходной аминокислоты. Так, при

9

окислении цистеина образуется цистеинсульфоновая кислота, декарбоксилирование которой приводит к образованию таурина: NH2CH2CH2SO3H. Таурин – медиатор нервной системы. В печени таурин используется на синтез конъюгированных желчных кислот (таурохолевая кислота, см. «Стероиды»).

Аналогично идет синтез катехоламинов – дофамина, норадреналина и адреналина – из тирозина. Сначала тирозин превращается в ДОФА (4,5- дигидроксифенилаланин). При декарбоксилировании ДОФА образуется дофамин:

эмоциональное состояние человека, регулирует выброс гормонов гипофиза и гипоталамуса, участвует в регуляции мышечного тонуса. При недостатке дофамина мышечный тонус оказывается настолько высоким, что человек испытывает серьезные затруднения при движении, вплоть до невозможности обслуживать себя самостоятельно. Это заболевание называется

паркинсонизм или болезнь Паркинсона. Несмотря на применение препаратов ДОФА, заболевание остается неизлечимым и в конце концов приводит к смерти.

При окислении дофамина в нервной ткани образуется еще один важный медиатор – норадреналин. В надпочечниках путем метилирования норадреналина по атому азота получается один из основных гормонов организма человека – адреналин:

Из триптофана после окисления до 5-гидрокситриптофана и последующего декарбоксилированиия образуется серотонин (так называемый «гормон радости»), который является:

медиатором ассоциативных зон коры головного мозга

регулятором секреции нейрогормонов

стимулятором сокращения гладкомышечных клеток сосудов и бронхов.

Дезаминирование аминокислот

10