Органические соединения организма человека и животных

1
ОСНОВЫ ХИМИИ ПРИРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ для студентов 6-ого курса
физико-математического и экологического факультетов.
Факультет физико-математических и естественных наук
Кафедра органической химии
Обязательный курс
Объём учебной нагрузки 36 часов − лекции
Целью курса является ознакомление студентов со свойствами, строением и
синтезом молекул органических соединений, найденных в живой природе.
Связать структурные формулы молекул с их биологическими функциями. Даётся
представление о наиболее важных классах природных соединений, играющих
значимую роль в жизнедеятельности растений и животных. Раскрываются
основополагающие механизмы действия, биосинтез и промышленный синтез
витаминов и гормонов на человеческий организм. Изучается на молекулярном
уровне
передача
наследственной
информации
(аминокислоты,
белки,
нуклеиновые кислоты). Обсуждаются главнейшие процессы, происходящие в
растениях: фотосинтез, образование терпеноидов и алкалоидов.
Содержание курса
Введение
Органические соединения организма человека и животных – белки,
нуклеиновые кислоты, липиды; растений – терпены, углеводы, алкалоиды.
Биосфера и её развитие. Теоретическое и практическое значения изучения
химии природных соединений. Познание закономерностей материального мира,
закономерностей жизни на молекулярном уровне.
Витамины
Витамины. Первые витамины, обнаружение, выделение, происхождение
названий. Витамины
–
вещества
стимулирующие
деятельность
нервной
системы, желез внутренней секреции и других органов. Авитаминоз, гипер- и
2
гиповитаминоз. Классификация: жирорастворимые и водорастворимые витамины,
группы
витаминов.
Витамины
–
коферменты
ферментативных
систем.
Потребность человека в витаминах.
Витамины группы А (А1А3). Важнейший витамин A1  ретинол,
аксерофтол.
Образование
ретинола
при
ферментативном
окислительном
расщеплении -каротина. Синтез и нахождение в природе каротинов 
провитаминов витаминов группы А. Промышленный синтез витамина А1 исходя
из гераниола и метилвинилкетона. Биохимическое окисление ретинола до
ретиналя. Комплекс ретиналя с родопcином – химизм процесса зрения.
Авитаминоз А.
Витамины группы B (B1B15). Витамин В1, тиамин. Гетероциклическая система с
циклами пиримидина и тиазола. Помышленный синтез тиамина. Витамин
В2 ,
рибофлавин, фактор роста. Флавинадениндинуклеотид  ФАД. Промышленный
синтез исходя из о-ксилидина и D-рибозы. Арибофлавиноз. Витамин В3
(пантотеновая кислота), антидерматитный витамин. Биосинтез и биологическая
роль. Промышленный метод синтеза из изомасляного альдегида. Витамины
группы В6, пиридоксин, пиридодоксамин и пиридоксаль. Синтез пиридоксина, а
из него – пиридоксаля. Современный синтез из производных оксазола с
использованием реакции Дильса-Альдера. Участие пиридоксаля в механизме
цветного зрения. Себорея. Витамин В9 (Bc), фолиевая кислота, антианемический
витамин ряда птеридина. Производные птерина, содержащие фрагменты nаминобензойной кислоты и глутаминовой кислоты. Синтез фолиевой кислоты из
триаминопиримидина. Авитаминоз В9 – нарушение кроветворения. Витамин В12,
кобаламин, цианокобаламин. Антианемический витамин. Строение его молекулы.
Порфирины, коррины, сравнение со строением молекул гемина крови и
хлорофилла. Применение витамина В12 для лечения тяжёлых заболеваний.
Нахождение и выделение витаминов группы B12 из природных источников.
Вудворд  нобелевский лауреат и классик тонкого органического синтеза.
Витамин В15 (пангамовая кислота), антигипоксийный витамин. Синтез из Dглюконовой кислоты.
3
Витамин
С.
L-Аскорбиновая
кислота,
антискорбутный
витамин.
Промышленный синтез аскорбиновой кислоты из D-глюкозы. Биохимическое
действие аскорбиновой кислоты как антиокислителя. Полинг  суточная доза
аскорбиновой кислоты? Цинга.
Витамины группы D (D2 и D3), кальциферолы, антирахитические витамины.
Получение эргокальциферола из эргостерина. Холекальциферол (витамин D3).
Генетическая связь со стероидами. Биотрансформация витаминов D в организме.
Витамин Е, токоферол (фактор размножения). Токол, производные
хромана. Синтез витамина Е из триметилгидрохинона и фитилбромида.
Бесплодие – авитаминоз витамина Е. Генетическая связь витамина E c терпенами.
Витамин
Н,
биотин.
Производное
конденсированной
системы
имидазолидина и тетрагидротиофена. Синтез биотина исходя из цистеина.
Современные пути синтеза оптическиактивного витамина Н (Кори).
Витамины
группы
К,
филлохинон,
антигеморрогический
витамин
(регулятор свёртываемости крови). Синтез филлохинона из 2-метилнафтохинона1,4 и фитола. Авитаминоз К. Менахиноны  витамин K2, синтез из
метилбензохинона. Витамин К3 (менадион).
Витамин
Р,
рутин.
Флаваноид.
Рутин
“витамин
проницаемости”
кровеносных сосудов. Синтез флаванола. Витамин РР, ниацин, никотиновая
кислота. Методы получения никотиновой кислоты из -пиколина, 2-метил-5этилпиридина, анабазина. Витамин РР – противопеллагрическое средство.
Витамин U, S-метилметионинсульфонийхлорид, противоязвенный витамин.
Синтез из метионина.
Терпены
Терпены и терпеноиды. Классификация: моно-, сескви-, ди-, три- и
сестертерпены.
Ациклические,
моноциклические,
бициклические
терпены.
Нахождение в природе, методы выделения из природных источников. Живица
хвойных деревьев, эфирные масла, скипидар. Монотерпены. Мирцен, оцимен 
простейшие монотерпены. Гераниол, нерол, линалоол и цитронеллол 
применение в парфюмерных композициях. Ментол, лимонен, карвон, тимол,
4
синтез и применение. Бициклические терпены: пинены, карены, фенхены, туйены.
Строение напряжённого углеродного скелета. Синтетическая и природная
камфора,
использование
в
промышленности.
Перегруппировка
Вагнера-
Меервейна  первый пример скелетной перегруппировки в органической химии.
Важнейшие
неролиден;
представители
циклические
сесквитерпенов:

цингиберен,
нециклические,
бизаболен,
фарнезен
абсцисовая
и
кислота.
Дитерпены и сестертерпены, смоляные кислоты.
Гормоны
Гормоны – регуляторы биохимических процессов обмена веществ в
организме. Железы внутренней секреции  фабрика гормонов. Классификация
гормонов:
стероидные,
полипептидные,
производные
аминокислот,
простагландины.
Гормоны ряда биогенных -аминокислот. Тироксин. Синтез тироксина.
Аналоги тироксина: тиреоидин, дийодтирозин, бетазин. Синтез и биологическое
значение. Адреналин, гормон мозгового слоя надпочечников, нейромедиатор.
Синтез L-()-адреналина. Схема биосинтеза норадреналина, адреналина. Мезатон
– синтетический аналог адреналина.
Серотонин, 5-окситриптамин, регулятор кровяного давления. Синтез
серотонина. Гистамин, -(пиразолил-4)-этиламин. Биосинтез гистамина из
гистидина. Пептидные гормоны. Нонапептиды: вазопресин и окситоцин. Отличие
в строении пептидной цепи и в физиологическом действии. Нонапептид ДСИП –
гормон сна. Соматотропин, полипептидный гормон, гормон роста.
Инсулин, полипептидный гормон. Строение молекулы инсулина. Сахарный
диабет. Биотехнологическое производство инсулина.
Стероидные гормоны. Классификация: мужские и женские половые
гормоны,
кортикостероиды.
Пространственное
строение
молекулы
циклопентанофенантрена, цис- и транс-декалины. Кортикостероиды производные
прегнана: альдостерон, кортикостерон, кортизол, кортизон. Промышленное
получение кортизона из сапогенина. Половые гормоны. Производные андростана,
мужские половые гормоны: тестостерон, андростерон, дегидроандростерон.
5
Производные эстрана, женские половые гормоны: эстрон, эстрадиол, эстрол.
Холестерин – основа синтеза стероидных гормонов в организме. Промышленные
методы получения стероидных гормонов. Синтетические и полусинтетические
гормоны.
Аминокислоты, белки
Аминокислоты, белки. Содержание белков в организме и выполняемые ими
функции. Многообразие природных белков. Начало химии белков. Протеин (Г.
Мульдер).
-Аминокислоты, мономеры биополимеров – белков, заменимые и
незаменимые аминокислоты. Общие синтетические и биохимические методы
получения -аминокислот. Выделение L-изомеров. Промышленные методы
получения
L-глутаминовой
кислоты,
лизина,
триптофана,
L-метионина.
Применение этих -аминокислот. Протеины, полипептиды. Полипептидная
теория
строения
белков
(Э.
Фишер).
Качественные
реакции
белков.
Аминокислотный состав белков. Изомерия полипептидов (число перестановок
аминокислотных остатков в полипептидной цепи). Установление природы N концевой (методы ДНФБ и ДНСХ) и С - концевой (гидразидный метод)
аминокислоты.
Установление
аминокислотной
последовательности
по
фенилизотиацианатному методу, дегидратацией полипептида по Эдману. Методы
направленного расщепления высокомолекулярных полипептидов.
Первичная структура белка и его физиологические свойства. Расшифровка
первичной структуры гормона инсулина. -Гемоглобин человека и «серповидноклеточный» -гемоглобин. Гемоглобулизм – «серповидно клеточная анемия».
Губчатый энцефалит – «коровье бешенство», открытие возбудителя болезни –
приона. Циклические пептиды. Грамицидин С. Гетероидные циклические
пептиды. Валомицин.
Вторичная структура белков. -Спираль глобулярных белков. -Структура,
структура складчатых (параллельных и антипараллельных слоёв) фибриллярных
белков.
Стабилизация
вторичной
структуры
белков,
водородные
относительная жесткость пептидных связей. Тройная спираль коллагена.
связи,
6
Третичная структура белка. Сферическая структура глобулярных белков.
Строение молекулы гемоглобина. Четырёхпепетидная белковая часть и гем.
Внутримолекулярные и внешние факторы обуславливающие стабилизацию
третичной структуры белка. Мультимерные белки. Белок в макромолекуле вируса
табачной мозаики.
Протеиды. Комплексы белков, протеинов с простетической группой.
Нуклеопротеиды,
гликопротеиды,
липопротеиды,
фосфопротеиды,
хромопротеиды. Белковое обновление организма.
Полипептидный
синтез.
Синтез
пептидов
из
хлорангидридов
-
галогензамещенных кислот и эфиров -аминокислот. Синтез Э. Фишером
октадекапептида. Цвитерионное строение
неполярное
состояние.
Защита
-аминокислот. Превращение их в
аминогруппы.
Защита
и
активирование
карбоксильной группы. Твёрдофазный синтез пептидов, последовательность
проводимых
операций.
Схема
биосинтеза
белка,
последовательность
протекающих биохимических реакций. Секвинаторы и синтезаторы, современные
автоматические методики полипептидного синтеза.
Передача генетической информации
Нуклеиновые
кислоты.
Клетка
организма
человека.
Ядро
клетки.
Хромосомы. Дезоксирибозануклеиновая кислота – геном человека. Строение
макромолекулы ДНК, гена. ДНК – первичная матрица синтеза белков каждого
индивидуума. Плазма клетки – матричная рибозонуклеиновая кислота, м-РНК.
Синтез белка. Один ген – один белок. Открытие ДНК (И. Митер). Строение
участка ДНК – гена. Нуклеотиды, нуклеозиды, D-2–дезоксирибозофураноза, D–
рибозофураноза, пуриновые и пиримидиновые основания.
Первичная структура ДНК. Нуклеотидная последовательность. Триплет
нуклеотидов – код (кодом) -аминокислот. Вторичная структура ДНК. Двойная
спираль нуклеотидных цепей антипараллельной ориентацией. Стабилизация
конформации двойной спирали. Открытие двойной спирали ДНК (Д. Утсон, Ф.
Крик). Последовательность биохимических реакций синтеза белка в клетке.
Ферменты
7
Синтез фрагментов нуклеиновых кислот конденсацией нуклеозидов и
нуклеотидов. Ферменты (энзимы). Ферменты – биокатализаторы. Биохимические
ферментативные процессы – хлебопечение, спиртовое брожение (дрожжи).
Простые ферменты – полипептиды: пепсин, трипсин, папаин, уреаза,
рибонуклеаза,
фосфолаза.
Сложные
белки.
Апофермент
и
кофермент.
Ферментативные реакции. Селективность (один фермент – один субстрат),
хемоселективность.
Стереоселективность.
Применяемые
в
различных
производствах ферменты: гидролазы, липазы, изомеразы, трансферазы, лигазы,
оксиредуктазы. Никотинамидиндинуклеотид НАД.
Липиды
Липиды (жиры). Липиды – строительный материал клеточных мембран и
различных
тканей
организма;
источник
энергии,
обеспечивающий
жизнедеятельность, рост и развитие организма.
Нейтральные
(простые)
триглицириды.
Жирные
кислоты,
ацильные
радикалы, которые содержат природные липиды (жиры и масла). Полярные
(сложные) липиды, фосфоглицириды, кефалин, летицин.
Изомерия
Направленный
триглициридов
синтез
по
триглициридов.
положению
ацильных
Изопропилиденовая
радикалов.
(кетальная)
и
бензилиденовая (ацетальная) защиты.
Синтез фосфолипидов на примере синтеза лицитина из 1,2–диглицирида, хлорэтилфосфорилдихлорида и триметиламина.
Свинголипиды, производные аминогликоля сфингозина по аминогруппе и
первичной спиртовой группе. Строение мембранной (оболочки) клетки и
выполняемые ею функции.
Алкалоиды
Нахождение в природе, биосинтез и значение алкалоидов для растений.
Классификация.
Алкалоиды. Пиперидиновые алкалоиды. Кониин, синтез его из -пиколина.
Ареколин. Лобелин и его аналоги: лобеладин и лобеламин.
8
Пиридиновые алкалоиды. Никотин, ядовитый алкалоид табака. Анабазин. Пиперидилзамещённый пиридин. Инсектицид.
Тропановые алкалоиды. Тропин. Атропин, сложный эфир тропина и
троповой кислоты. Синтез атропина (Р. Робинсон). Атропин – рацемат.
Гиосциамин, левовращающий стереоизомер атропина.
Скополамин, сложный эфир вторичного спирта скопина и троповой
кислоты. Кокаин  наркотическое действие. Синтез кокаина исходя из тропинона
(Н.А. Преображенский). Цинамилкокаин.
Гагрин, предшественник в биосинтезе тропановых алкалоидов.
Имидазольный
алкалоид
пилокарпин,
эффективное
антиглаукомное
средство. Синтез пилокарпина (Н.А. Преображенский).
Хинолиновые алкалоиды. Энантиомерные хинин и хинидин, цинхонидин и
цинхонин. Хинолиновый и хинуклидиновый фрагменты этих алкалоидов.
Четвертичные соли хинина. Превращение сульфата хинина в хинотоксин. Хинин
– противомалярийное средство.
Изохинолиновый алкалоид папаверин, алкалоид опиума. Промышленный
метод синтеза папаверина. Синтетический аналог пепаверина – Но-шпа.
Тетрагидроизохинолиновые
алкалоиды.
Сальсолин,
применяется
при
лечении гипертонических заболеваний. Структурный аналог сальсолина –
сальсолидин.
Индольные алкалоиды грамин и псилобицин.
Пуриновые алкалоиды – алкалоиды чая и кофе. Производные ксантина:
кофеин, теофилин, теобромин. Промышленный метод синтеза теофилина
(применяется в качестве спазмолитика и мочегонного средства). Кофеин –
психотропное средство, тонизирующее средство.
Хинолизидиновые
алкалоиды:
лупинин,
пахикарпин,
цитизин.
Конденсированные системы с фрагментом хинолизидина.
Пирролизиновые алкалоиды, эфиры двухатомного спирта платинецина –
платифиллин и саррацин. Полициклические конденсированные алкалоиды:
9
берберин, эмитин, эзерин, резерпин, морфин. Производные морфина: кодеин и
героин. Морфин эффективное обезболивающее средство (анальгетик). Наркотики.
Ациклические алкалоиды (фенэтиламиновые): тирамин, мексалин, эфедрин.
Промышленный синтез эфедрина.
Стероидные алкалоиды салосидин и салонидин.
Фотосинтез
Сущность и значение фотосинтеза для развития Земли. История развития
учения о фотосинтезе. Масштабы фотосинтетической деятельности в биосфере.
Основные и добавочные фотосинтетические пигменты: хлорофиллы,
каротиноиды, фикобилины. Хлорпласты и их роль в фотосинтезе. Строение
хлорпластов. Хлорофилл а и хлорофилл b. Порфиновая структура – основа
молекулярного строения хлорпласта. Роль порфиновой структуры и металла
(магний) в поглощении и утилизаци энергии света. Биосинтез и метаболизм
хлорофилла.
Стадии фотосинтеза. Первичные фотофизические и фотохимические
процессы. Фотосинтетическая электронтранспортная цепь. Циклический и
нециклический
транспорт
электронов.
Фотофосфорилирование.
Псевдоциклическое фосфорилирование. Теория Митчелла. Реакция Хилла.
Фотоокисление воды, происхождение кислорода.
Световая стадия фотосинтеза. Образование АТФ и НАДФ в процессе
световой стадии фотосинтеза. Темновая стадия фотосинтеза. Три фазы темновой
стадии фотосинтеза: фаза карбоксилирования, фаза восстановления, фаза
регенерации.
Суммарное уравнение темновой стадии фотосинтеза – образование
углеводов.
Фотосинтетический
метаболизм
углерода.
Восстановительный
пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина). Ключевые ферменты, их реакции,
локализация
и
свойства.
Карбоангидраза.
Первичный
Альтернативные (неуглеводные) пути ассимиляции углерода.
Темы рефератов
синтез
углеводов.
10
1. Природные душистые вещества с приятным запахом. Источники,
выделение, очистка, синтез. Парфюмерные композиции. Механизм обоняния.
2. Природные яды. Яды змей, лягушек, пауков, скорпионов, насекомых,
рыб,
растений.
Состав,
строение,
действие,
LD.
Механизмы
действия.
Противоядия.
3. Природные красители. Красители древности и сегодняшнего дня.
Красящие вещества цветов растений, морских моллюсков, насекомых (крылья
бабочек). Гемоглобин и хлорофилл. Механизм цветного зрения. Значение цвета
для живых организмов.
4. Природные вкусовые вещества. Сахара, компоненты лука, чеснока,
специй. Ментол, камфора и другие терпены. Пищевые кислоты. Передача
вкусовых ощущений.
5. Природные полимеры. Каучуки, целлюлоза, крахмал. Строение,
биосинтез, выделение, использование.
6.
Природные неприятнопахнущие вещества. Полиамины, алкены,
меркаптаны, азагетероциклы.
Литература
Обязательная
1. Солдатенков А.Т., Коладина Н.М., Шендрина. И.В. – Основы органической
химии лекарственных веществ – Химия, Москва, 2001.
2. Сорочинская Е.И. Биорганическая химия. Биологически важные классы
соединений. СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1998. 190 с.
3. Методические рекомендации к изучению спецкурса «Химия природных
соединеий» Главы 1-4. Липиды, гормоны, химические средства защиты
растений. РУДН, Москва, 1987.
4. Методические рекомендации к изучению спецкурса «Химия природных
соединеий» Главы 5-8.Белковые вещества, нуклеиновые кислоты, фотосинтез,
органические лекарственные препараты. РУДН, Москва, 1987.
5. В.В. Племенков, Введение в химию природных соединений. Казань, 2001 г.
11
Дополнительная
1. Бергельсон Л.А. Мембраны, молекулы, клетки. М.1982
2. Medicinal natural poducts. Paul M. Dewick, John Wiley & Sons Ltd., 2002.
3. При подготовке к лекциям рекомендуется используется интернет. Сайты:
“Химический ускоритель” http://www.chem.isu.ru/leos/;
“Химия он-лайн” http://markovsky.virtualave.net/chemonline/index.htm
4. Химия природных соединений (углеводы, нуклеиды, стероиды,белки).
Кочетков Н.К., Торгов И.В., Ботвиник М.М. 1961.
Программа составлена
Зубковым Фёдором Ивановичем
Доц., к.х.н. кафедры органической
химии, факультета физико-математических
и естественных наук