Зайцев М. А. Введение в химические основы биологических процессов--сэ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт химии и экологии
Кафедра фундаментальной химии и методики обучения химии
М. А. ЗАЙЦЕВ
ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебно-наглядное пособие
Киров
2017
УДК 577.1(07)
УДК З-179
Допущено к изданию методическим советом института химии и экологии ВятГУ
в качестве учебного наглядного пособия для студентов направления 04.05.01
«Фундаментальная и прикладная химия» профиля «Химия окружающей среды,
химическая экспертиза и экологическая безопасность»
Рецензент:
кандидат химических наук, доцент кафедры технологии
неорганических веществ и электрохимических производств
Д. А. Кондратьев
Зайцев, М. А.
З-179 Введение в химические основы биологических процессов: учебное наглядное пособие /
М. А. Зайцев. – Киров: ВятГУ, 2017. – 199 с.
УДК 577.1(07)
Издание предназначено для использования в качестве демонстрационного материала
при проведении лекционных занятий по дисциплине «Химические основы биологических
процессов».
Авторская редакция
Тех. редактор Д. В. Дедюхина
© ВятГУ, 2017
ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет»
Институт химии и экологии
Кафедра фундаментальной химии и методики обучения химии
М. А. Зайцев
Введение в химические основы
биологических процессов
Учебно-наглядное пособие
Киров, 2017
Отличия живой
материи от неживой
Отличия живой материи от неживой
1. Сложность и высокий уровень организации живых систем
• усложненное внутреннее строение
• содержание множества различных сложных молекул
Шкала уровней организации клетки
Мr = 1012  1015
Клетка
Мr = 1011  1013
Органеллы (ядро, митохондрии, лизосомы)
Надмолекулярные
структуры
Мr = 106  1010
Полиферментные комплексы, рибосомы,
сократительные системы, ядрышко
Сложные
макромолекулы
Мr = 103  106
Протеиды (липопротеиды, нуклеопротеиды,
холоферменты), липополисахариды
Макромолекулы
(биополимеры)
Мr = 103  106
Биологические
мономеры
Мr = 50  250
Макроциклы (гем,
хлорофилл,
коферменты)
Полинуклеотиды
(нуклеиновые
кислоты)
Мононуклеотиды
Белки
Аминокислоты
Полисахариды
Моносахариды
Мr = 50  250
Промежуточные химические соединения
Предшественники
Мr = 18  44
Неорганические ионы,
CO2, H2O, N2, O2
Липиды
Жирные
кислоты,
спирты
Отличия живой материи от неживой
1. Сложность и высокий уровень организации живых систем
• усложненное внутреннее строение
• содержание множества различных сложных молекул
• обеспечивается участием белков и нуклеиновых кислот
Отличия живой материи от неживой
2.
Способность извлекать, преобразовывать и использовать
энергию окружающей среды
– Обмен веществ –
непрерывный,
самосовершающийся и
саморегулируемый круговорот
веществ, протекающий в
процессе существования
живой материи и
сопровождающийся ее
постоянным
самообновлением
– Неразделим с процессом
обмена энергии
Отличия живой материи от неживой
3.
4.
Саморегуляция химических превращений в организме
Способность к точному
самовоспроизведению
•
Передача наследственных
признаков
– нуклеиновые кислоты
Центральная догма
Отличия живой материи от неживой
5.
Любая составная часть организма имеет специальное
назначение и выполняет строго определенную функцию
6.
Эволюционное развитие
Ян ван Кессель младший. Сад рая
Особенности биохимической информации
• Хиральность биологически активных молекул
• Огромное разнообразие и видовая специфичность
структур важнейших биополимеров – белков
и нуклеиновых кислот
• Слаженность химических процессов, происходящих
в живых организмах, жесткая запрограммированность
в пространстве и времени метаболических путей; тесная
взаимосвязь и регуляция обменных процессов;
взаимосвязь обменов веществ и энергии
Жизнь…
• высшая форма существования материи
• химический процесс, включающий тысячи упорядоченно
протекающих реакций
• Метаболические реакции (метаболизм)
• Метаболиты
• С какими проблемами связано само существование
жизни?
• Представление об энергии
Химия, энергия
и метаболизм
Что определяет возможность протекания
химических реакций?
• Энтальпия Н
• Энтропия S
• Пойдет ли химическая реакция?
– Н < 0 и S > 0 – ?
– Н > 0 и S < 0 – ?
– Н > 0 и S > 0 или Н < 0 и S < 0 – ?
• Свободная энергия Гиббса G
G = Н – TS
• G – максимальное значение энергии, которое доступно
для совершения полезной работы за счет химической
реакции
– мышечное сокращение
– химический синтез в клетках
– преодоление осмотических или электрических сил
Что определяет возможность протекания
химических реакций?
• G < 0
• G > 0
• G = 0
?
• химическая реакция протекает лишь в случае
G < 0, т. е. в условиях, когда свободная
энергия продуктов реакции меньше, чем
исходных веществ
Изменение свободной энергии
и обратимость реакций
А⇄В
• |G| невелико – реакция в клетке обратима
(изменение концентраций веществ А и В в ходе
метаболизма может привести к обращению знака G)
• |G| велико – реакция практически необратима
• Диапазон изменений внутриклеточных концентраций
метаболитов обычно
10–4–10–3 моль/л
Роль необратимых реакций
в стратегии метаболизма
• Метаболические пути
• Биохимические реакции:
• последовательные (цепи):
АВСD
• параллельные:
А
C
D
Q
U
B
(дихотомический и апотомический пути окисления
глюкозы)
• образующие циклы:
А
B
(цикл Кребса, цикл мочевины)
C
D
фосфоролиз
Полисахариды
Олигосахариды
гидролиз
Моносахариды
фосфорилирование
Гексозофосфаты
Пентозофосфаты
взаимопревращения
Г-1-Ф
Г-6-Ф
дихотомический
апотомический
распад
ПВК
Брожение
Гликолиз
Анаэробно
Рл-5-Ф
Дыхание (ЦТК)
Аэробно
Дыхание
Роль необратимых реакций в стратегии
метаболизма
• Метаболические пути
• Общее свойство – необратимость
A
B
C
D
E
F
products
Всякий раз, когда суммарный химический процесс,
характерный для данного метаболического пути, должен
быть физиологически обратимым, прямая и обратная
траектории не совпадают полностью и обязательно
содержат хотя бы пару различающихся по своей природе
необратимых реакций
Почему клетки используют такую стратегию
метаболизма?
A
B
C
D
E
F
products
A
B
C
D
E
F
products
• Закон действующих масс – ?
– Синтез ДНК генов, жизненно важных белков – ?
• Метаболизм должен быть контролируемым!
Из чего складывается величина G?
• стандартные условия: Р = 101325 Па, С = 1,0 моль/л,
рН = 7,0, Т = 25°С (37°С)
Gr,298 = i Gf,298(прод.) – i Gf,298(исх.)
Стандартная свободная энергия и константы
равновесия

C D
K
A  B
• А+В⇄С+D
• G298 = –RТlnК = –2,303RТlgК
• G = G298 + RTlnKp,T
G° (кДж/моль)
К
+17,1
0,001
+11,4
0,01
+5,7
0,1
0
1,0
–5,7
10,0
–11,4
100,0
–17,1
1000,0
G < 0. От чего зависит, будет ли протекать соответствующая
реакция в клетке с ощутимой скоростью?
• Ферментативный катализ
Природа ферментативного катализа
• Фермент (энзим) – катализатор, ускоряющий только одну
химическую реакцию
• Фермент – белок
– Активный центр
Модель Михаэлиса – Ментен
E + S ⇄ ES ⇄ EP  E + P
Е + S ⇄ ЕS  ЕS’  ЕР  Е + Р
ЕS  Е + Р
Как работает фермент?
SР
• S  S*  Р (время жизни S* 10–14–10–13 с)
Ферменты ускоряют
химические реакции
обычно в 107–1014 раз
Например, уреаза,
разрушающая мочевину,
уменьшает энергию
активации ее гидролиза
на 84 кДж/моль и
ускоряет его в 1014 раз
Гипотезы образования
комплекса ES
• Аналогия «замок-ключ»
• 1894 г., Э. Г. Фишер
Эмиль Герман Фишер
(1852 – 1919), Германия
Гипотезы образования
комплекса ES
• Гипотеза «индуцированного
соответствия»
• 1959 г., Д. Кошланд
Дэниел Эдвард Кошланд
(1920 – 2007), США
Факторы, влияющие на скорость
ферментативных реакций
•
•
•
•
•
Концентрация фермента
Концентрация субстрата
рН
Температура
Ингибиторы и активаторы
Как расщепление пищи в клетках сопряжено
с внутриклеточными реакциями, потребляющими
энергию?
• Образование из низкомолекулярных предшественников
биополимеров (белков, ДНК и др.) не может быть
спонтанным, т. к. сопряжено со значительным
увеличением свободной энергии
• Внешний источник энергии – процесс окисления пищи
Части метаболизма
1.
Анаболизм (ассимиляция, синтез) – химические
превращения, протекающие с G > 0 (синтез,
«строительные» процессы)
•
2.
Расходуется энергия
• энергия Солнца (автотрофы – фотосинтез)
• энергия химических реакций (автотрофы – хемосинтез)
• выделившаяся в процессах катаболизма (гетеротрофы)
Катаболизм (диссимиляция, разрушение) – деструктивные
процессы, протекающие с G < 0 (распад веществ и
выделение продуктов распада)
• Высвобождается свободная энергия, которая
используется для проведения энергопотребляющих
анаболических реакций

Химические реакции, которые протекают с выделением
свободной энергии (G < 0) – экзэргонические

Химические реакции, протекающие с поглощением
свободной энергии (G > 0) – эндэргонические
Энергетический цикл жизни
G
Пищевые
молекулы
Энергия
света
Химическая
энергия
СО2 + Н2О
Фотосинтез
О2
Упорядоченные
макромолекулы
в клетке
Катаболизм
Низкомолекулярные
неупорядоченные
молекулы в
окружающей среде
Анаболизм
Как происходит сопряжение экзэргонических
и эндэргонические реакций?
•
•
Энергия, высвобождающаяся при расщеплении пищевых
веществ, используется в химических реакциях, для
совершения механической работы, в осмотических
и электрофизиологических процессах
Общий энергетический интермедиат, который принимает
энергию от реакций окисления пищи и доставляет ее туда,
где совершается работа и требуется энергия
Макроэргические соединения
• Внутриклеточные соединения:
– «низкоэнергетические» – при гидролизе
(преобразовании) G = –(9÷20) кДж/моль
– «высокоэнергетические», или макроэргические, –
G° < –30 кДж/моль
Примеры макроэргических
соединений
Ацетил-КоА
Gгидр.о = –32,9 кДж/моль
Примеры макроэргических
соединений
1,3-дифосфоглицериновая
Фосфоенолпировиноградная
кислота (ФЕП)
Gгидр.о = –58,6 кДж/моль
кислота (1,3-дФГК)
Gгидр.о = –49,1 кДж/моль
Примеры макроэргических
соединений
Аденозинтрифосфорная
кислота (АТФ)
Gгидр.1о = –32,5 кДж/моль
Gгидр.2о = –34,7 кДж/моль
Живой организм как
объект
термодинамических
исследований
Особенности живого организма
как объекта термодинамических исследований
1. Открытая система
2. Влияние биологических закономерностей
3. Постоянство Т и р, отсутствие значительных перепадов
С, резких изменений V
• Основной источник энергии для организма – химическая
энергия, часть (?) которой расходуется на:
–
–
–
–
совершение работы внутри организма
нагревание воздуха, воды и пищи
покрытие потерь теплоты
совершение внешней работы
Классическая
термодинамика
•
•
Изолированная система
Равновесное состояние
Биоэнергетика
•
•
Открытая система
Стационарное состояние
•
•
•
Характерно:
• постоянство параметров
• неизменность во времени скоростей притока
и удаления веществ и энергии
Живой организм в каждый данный момент не отвечает
определению стационарного состояния
НО за сравнительно большой промежуток времени
можно отметить относительное постоянство его
параметров
 Неизменность свойств системы во времени
 Постоянство энтропии системы
 Применимость принципа Ле Шателье
Термодинамическое равновесие
Отсутствие обмена
с ОС
Полное отсутствие градиентов
Энтропия системы соответствует
максимально возможному в
данных условиях значению
Для поддержания не требуется
затрат энергии Гиббса
Система не способна совершать
работу против внешних сил и
нереакционноспособна
v(прям. процесса) =
= v(обр. процесса)
Стационарное состояние
Непрерывный обмен
Полное отсутствие градиентов
Энтропия системы не равна
максимально возможному в
данных условиях значению
Необходимы постоянные
затраты энергии Гиббса
Работоспособность системы
постоянна и не равна 0
v(прям. процесса) >
> v(обр. процесса)
inside
ΔS i
ΔS е
ΔS ΔSi ΔSe


Δt
Δt
Δt
Δt
Производство энтропии внутри системы,
обусловленное протеканием в ней необратимых
процессов (?)
Δt
Изменение энтропии, обусловленное
взаимодействием открытой системы с ОС (?)
external
•
Изменение свободной энергии Гиббса также можно
представить как сумму двух слагаемых:
ΔS ΔSi ΔSe


Δt
Δt
Δt
ΔG ΔG i ΔG e


Δt
Δt
Δt
– математические выражения II начала термодинамики
для открытых систем
ΔS
ΔS
Δt
Δt
0
ΔG
0
ΔG
Δt
Δt
0
• система не достигла
стационарного состояния
0
• достигнуто стационарное
состояние
В стационарном состоянии:
ΔSi
ΔSe

Δt
Δt
ΔG i
ΔG e

Δt
Δt
Следовательно:
• производство энтропии (?) компенсируется отдачей ее в ОС
• убыль свободной энергии (?) восполняется за счет
поступления энергии из окружающей среды (?):
S = const, G = const
В стационарной термодинамически
открытой системе скорость
производства энтропии,
обусловленного протеканием в ней
необратимых процессов, принимает
минимальное для данных условий
положительное значение:
∆Si
→0
∆t
Илья Романович
Пригожин
(1917–2003, Бельгия)
Поскольку энтропия является мерой деградации энергии,
теорема Пригожина приводит к важнейшему заключению:
При стационарном состоянии рассеяние свободной энергии
открытой системы оказывается минимальным
Таким образом, живой организм, представляющий собой
открытую стационарную систему, поставлен природой в весьма
выгодные с точки зрения энергообеспечения условия:
Поддержание относительного постоянства внутренней среды
организма (гомеостаза) требует минимального потребления
свободной энергии
Усвоение пищи – деструкция ВМС и образование НМС 
производство энтропии
Воздействие факторов, нарушающих стационарное
состояние в направлении увеличения энтропии, должно
повлечь (?) возникновение в системе процессов,
направленных на уменьшение энтропии – производство
негэнтропии
Главный – синтез макроэргических веществ
Энергия, аккумулирующаяся в организме
в форме макроэргических веществ, легко
мобилизуется с помощью
гидролитического расщепления этих
соединений
В. А. Энгельгардт
Синтезируя макроэргические вещества,
живой организм как бы сглаживает
увеличение энтропии, стабилизируя ее
на более низком уровне, чем это могло
быть, если бы производству энтропии не
было противопоставлено производство
негэнтропии
Таким образом, живой организм
проявляет способность к
саморегулированию (автостабилизации)
Владимир Александрович
Энгельгардт
(1894 – 1984)
Основные этапы
обмена веществ
I этап. Подготовительный
 Белки, жиры и углеводы в результате гидролиза
распадаются на мономеры
 В желудочно-кишечном тракте
 Освобождается незначительное количество энергии
 Мономеры всасываются в кровь и находятся там
в определенной концентрации, изменение которой
может приводить к заболеваниям
II этап. Превращение мономеров в более
простые соединения
 При окислении углеводов, жиров и некоторых аминокислот
различными путями образуется ацетил-КоА
 Высвобождается ≈1/3 часть всей энергии
 I и II этапы – в анаэробных условиях
III этап. Цикл Кребса
(цикл ди- и трикарбоновых кислот, ЦТК)
специфический цикл химических реакций, главными
компонентами которого являются:
– дикарбоновые кислоты
– трикарбоновые кислоты
Дикарбоновые
кислоты
щавелевоуксусная кислота
(оксалоацетат, ЩУК)
янтарная кислота
(сукцинат)
яблочная кислота
(малат)
α-кетоглутаровая кислота
фумаровая кислота
(фумарат)
Трикарбоновые
кислоты
изолимонная кислота
(изоцитрат)
лимонная кислота (цитрат)
цис-аконитовая кислота
(цис-аконитат)
Суммарная схема цикла Кребса
СН3–СО~SCoA+ 2Н2О → 2СО2 + 8Н
 Цикл Кребса работает в аэробных условиях
 Ферменты ЦТК (метаболон) – в кристах митохондрий
 Процессы ЦТК:
o дегидрирование (4)
o декарбоксилирование (2)
o гидратация (3)
o дегидратация (1)
o синтез АТФ (1)
IV этап. Окислительная цепь ферментов
(дыхательная цепь)
 Расположена на мембранах митохондрий
 «Горючее» – атомы водорода, снятые с субстратов
(например, в ЦТК)
 Каждые 2 атома Н отдают энергию на синтез:


3 АТФ – если донор атомов Н – НАДН + Н+ (НАДН2)
2 АТФ – если донор атомов Н – ФАДН2
 После убихинона (КоQ) атомы Н ионизируются
2Н → 2Н+ + 2е
 Дальше по цепи цитохромов передаются электроны
 Электроны с цитохромов «попадают» на молекулы
кислорода, которые превращаются в ионы:
½О2 + 2е → О2–
 О2– взаимодействуют с Н+:
О2– + 2Н+ → Н2О
 В сутки – до ½ л воды
 На III и IV этапах выделяется 2/3 всей энергии
в виде АТФ
Химический состав живых
организмов
Факторы отбора
химических элементов
для построения и
функционирования
биологических систем
Химические элементы живых организмов
• Материя Вселенной – >100 элементов
• НО
• Основа живых систем – 6 элементов-органогенов
С, Н, О, N, Р и S – 97,4%
• 12 элементов участвуют в построении многих
физиологически важных компонентов биосистем
Na, К, Са, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Со, I – ~1,6%
• 20 элементов участвуют в построении и
функционировании отдельных узко специфических
биосистем – ~1%
Причины дифференцированного отбора
элементов
• Около 15 млн. химических соединений
• ~ 96% – органические соединения (те же 6–18 элементов)
• Остальные – ~ 300 тыс. неорганических соединений
• В Космосе господствуют Н и Не
• На Земле – Fe, О, Si, Mg, Al, Ca, Na, K, Ni (С – 16-е место)
• В атмосфере С не более 0,01 мас. %, в океанах – около
0,002, в литосфере – 0,1
• С в литосфере распространен в 276 раз <, чем Si, в 88 раз
<, чем Al, и даже в 6 раз <, чем Ti
• Из органогенов наиболее распространены лишь О и Н
Причины дифференцированного отбора
элементов
• Следовательно, геохимические условия не играют
существенной роли в отборе химических элементов при
формировании органических систем и биосистем
• Определяющие факторы – требования соответствия
между строительным материалом и сооружениями –
высокоорганизованными структурами (живыми
организмами)
Требования соответствия между строительным
материалом и высокоорганизованными структурами
•
1)
2)
•
Отбор элементов, способных к образованию:
прочных  энергоемких химических связей
лабильных связей
Элементы-органогены имеют:
– небольшие радиусы атомов
– промежуточные значения электроотрицательностей
• Это благоприятствует образованию прочных
ковалентных связей
Углерод – органоген № 1
•
•
•
•
•
способен вмещать и удерживать внутри себя самые резкие
химические противоположности
реализовывать их единство
выступать в качестве носителя внутреннего противоречия
Атомы С
– в одном и том же соединении способны играть роль
и акцептора, и донора электронов
– образуют почти все типы химических связей:
• менее чем одноэлектронные и одноэлектронные (?)
• двухэлектронные (?)
• трехэлектронные (?)
• четырехэлектронные (?)
• шестиэлектронные (?)
С–С-связи – чисто ковалентные, почти чисто ионные и
ковалентные полярные с самыми различными энергиями
связей
Кислород и водород
• Носители крайних и односторонних свойств –
окислительных и восстановительных
• Соотношение О и Н в биомолекулах определяет
тенденцию этих соединений к окислительновосстановительным переходам и взаимодействию их
с водой – универсальной биосредой
Азот, фосфор, сера и др.
• N, Р и S, некоторые элементы,
составляющие активные центры
ферментов (Fе, Мg), подобно С
отличаются особой лабильностью
Лабильные атомы S, Р и Fе, которые
претерпевают очень большие превращения
в неорганическом мире, имеют основное
значение в биохимии, в то время как
стабильные атомы (Si, Аl, Nа), составляющие
несравненно большую часть земной коры,
играют лишь второстепенную роль или
отсутствуют вовсе
Дж. Д. Бернал
Джон Десмонд Бернал
(1901–1971, Англия)
Химические связи, образующиеся
биогенными элементами
•
Внутримолекулярное или внутрикомплексное
взаимодействие атомов С, N, S, Р, Н, О, Fе, Мg, Ti создает
исключительное богатство химических связей:
– сопряженные связи, обладающие высокой π-электронной
проводимостью
– относительно слабые макроэргические связи
– очень слабые водородные связи
– попарные межатомные связи типа С–Н, С–С
– многоцентровые (связь атома Мg с пиррольными
кольцами в геминах)
Классификация
биогенных
элементов
По количественному содержанию в организмах
(В. И. Вернадский)
1. Макроэлементы – > 10–2%
O, S, N, H, C, P, Ca, Mg, Na, K, Cl, Fe
• построение тканей
• поддержание постоянного осмотического давления
• поддержание ионного и кислотно-основного баланса
и др.
2. Микроэлементы – 10–2–10–5%
I, Cu, As, F, Br, B, Sr, Ba, Co, Zn, Mn, Mo, Cr, Se
• входят в состав активных центров ферментов,
гормонов, витаминов и др. БАВ в качестве
комплексообразователей или активаторов, тем самым Владимир Иванович
участвуют в обмене веществ, процессах размножения,
Вернадский
тканевом дыхании, обезвреживании токсинов
(1863–1945)
• активно влияют на процессы кроветворения, ОВП,
проницаемость сосудов и т. п.
3. Ультрамикроэлементы – < 10–5%
Pb, Au, V, Hg, Ag, U, Ra и др.
По значимости для жизнедеятельности
(В. В. Ковальский)
1. Незаменимые элементы
Н, О, Са, N, К, Р, Nа, S, Мg, Сl, С, I, Мn, Сu,
Со, Fе, Zn, Мо, V
2. Примесные элементы
Gа, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba,
Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th,
Hg, U, Se
3.
Микропримесные элементы
Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др.
Виктор Владиславович
Ковальский
(1899–1984)
По функциональной роли
•
Органогены – элементы, из атомов которых состоят
основные органические соединения организма
– р-элементы C, N, O, P, S, s-элемент H
• Элементы, создающие в основном электролитный фон
организма
– s-элементы Na, K, Mg, Ca, р-элемент Cl
• Микроэлементы, осуществляющие регулирующую
и транспортную функции
– все жизненно важные d-элементы, Se и I
По влиянию на живые организмы
•
Канцерогены…
– элементы, стимулирующие развитие опухолевых
процессов в организме и могущие вызывать раковые
заболевания
• Мутагены…
– элементы, вызывающие генетические мутации
в живом организме
• Тератогены…
– элементы, вызывающие аномалии развития в живом
организме на соматическом уровне
Химические
компоненты клетки.
Вода
Функции воды в организме
• Вода – универсальный растворитель
– полярность молекул и способность образовывать
водородные связи
– Гидрофильные и гидрофобные соединения
– Гидрофобные взаимодействия
• Транспортные функции
– низкая вязкость, подвижность и способность растворять
большое число веществ
• Вода – среда, в которой протекают химические процессы
– Большая диэлектрическая постоянная
• Вода – участник биохимических реакций
– Гидролиз, гидратация и дегидратация, окисление,
многие реакции синтеза
• Вода – терморегулятор
– высокие теплопроводность и теплоемкость
Органические
соединения клетки
Малые органические молекулы
• Соединения углерода с Мr от 100 до 1000 (до 30 атомов С)
• Обычно находятся в свободном состоянии в цитоплазме,
образуя пул промежуточных продуктов, дающих начало
макромолекулам
• Служат важнейшими промежуточными продуктами
в химических реакциях, преобразующих извлеченную
из пищи энергию в пригодную для использования форму
• Доля – около 1/10 клеточного органического вещества
• В клетке – около тысячи различных видов таких молекул
• Все имеющиеся в клетке соединения можно разбить
на небольшое число отдельных семейств
• Крупные макромолекулы строятся из малых молекул
и относятся, таким образом, к тем же семействам
Углеводы
Углеводы –
• органические соединения, содержащие в молекулах
карбонильную (альдегидную или кето-) группу и 1 или
несколько гидроксильных групп
• Общая формула Сm(Н2О)n не совсем верна
• 1927 г., Международная комиссия по реформе
химической номенклатуры – термин «глициды»
(или «глюциды»)
Классификация углеводов
УГЛЕВОДЫ
Простые
(моносахариды)
Альдозы
Кетозы
Сложные
Дисахариды
Олигосахариды
Полисахариды
Восстанавливающие
(гликозидо-глюкозы)
Гомополисахариды
Невосстанавливающие
(гликозидо-гликозиды)
Гетерополисахариды
Моносахариды
Классификация моносахаридов
• По природе карбонильной группы
– Полигидроксиальдегиды – альдозы
– Полигидроксикетоны – кетозы
• По длине углеродной цепи
– Триозы
– Тетрозы
– Пентозы
– Гексозы
– Гептозы
АЛЬДОЗЫ
D(–)-глицериновый
альдегид
D(–)-рибоза
D(+)-аллоза
D(–)-эритроза
D(–)-арабиноза
D(+)-глюкоза
D(+)-альтроза
D(–)-ликсоза
D(+)-галактоза
D(+)-манноза
D(–)-треоза
D(+)-ксилоза
D(–)-гулоза
D(+)-талоза
D(–)-идоза
КЕТОЗЫ
Диоксиацетон
D-эритрулоза
D-рибулоза
D-ксилулоза
D-седогептулоза
D-аллулоза
D-фруктоза
D-сорбоза
D-тагатоза
Стереоизомерия моносахаридов
• Несколько центров хиральности 
• большое число стереоизомеров
– НОСН2(*СНОН)4СНО – 24 (16) стереоизомеров, т. е. 8 пар
энантиомеров
– НОСН2(*СНОН)3С(О)СН2ОН – 23 (8) стереоизомеров, т. е. 4 пары
энантиомеров
• Относительная конфигурация – по глицериновому
альдегиду
– С конфигурацией его хирального центра сравнивается
конфигурация асимметрического атома С с наибольшим номером
Диастереомеры
• имеют одинаковое химическое строение, но отличаются
конфигурацией одного или нескольких асимметрических
атомов С
• Диастереомеры, различающиеся конфигурацией только
одного асимметрического атома С, – эпимеры
– D-глюкоза и D-галактоза – эпимеры по С-4
– D-глюкоза и D-манноза – эпимеры по С-2
Циклические формы
• А. А. Колли (1870), Б. Толленс (1883)
• По химической природе – циклические полуацетали
• Прохиральный центр (карбонильный С) → хиральный
центр
• Дополнительный центр хиральности – аномерный атом
• Полуацетальная гидроксильная группа – гликозидная
группа
Пиранозы и фуранозы. Формулы Фишера и Хеуорса
пиран
α-Dглюкопираноза
β-Dглюкопираноза
α-Dглюкопираноза
фуран
β-Dглюкофураноза
α-Dглюкофураноза
β-Dглюкофураноза
Аномерия D-глюкозы
нуклеофильная атака
с re-стороны
α-D-глюкоза и α-D-глюкоза –
диастереомеры
β-D-глюкоза
α-D-глюкоза:
Tпл = 146°С
угол уд. вращения +112°
β-D-глюкоза:
Tпл = 150°С
угол уд. вращения +19°
нуклеофильная атака
с si-стороны
α-D-глюкоза
Мутаротация – изменение во времени угла
вращения плоскости поляризации света
растворами углеводов
У глюкозы – до +52,5°
Старшинство заместителей
убывает:
– по часовой стрелке –
re-сторона; R-конфигурация
(от лат. rectus – правый)
– против часовой стрелки –
si-сторона; S-конфигурация
(от лат. sinister – левый)
Таутомерия
< 0,1%
< 0,1%
36%
0,01%
64%
Конформации
• Из двух кресловидных конформаций D-глюкиранозы
осуществляется та, в которой все большие по объему
заместители занимают экваториальное положение
• β-D-глюкопираноза – моносахарид с полным
экваториальным положением заместителей
•  высокая термодинамическая устойчивость
• Аномерный эффект
Методы получения
1. Из природных соединений
– Фотосинтез
h
nCO2 + mH2O → (CH2O)n + pO2
– Гидролиз природных полисахаридов
2. Синтетические способы
– Практической ценности не имеют
– Первый синтез смеси моносахаридов (А. М. Бутлеров,
1861):
Са(ОН)2
6НСНО
→
С6Н12О6
Свойства
• Твердые вещества
• Легко растворимы в воде, плохо – в спирте, нерастворимы
в эфире
• Водные растворы имеют нейтральную реакцию на лакмус
• Большинство имеют сладкий вкус
• При нагревании разлагаются – карамелизация
• Реакции:
– за счет полуацетального (гликозидного) гидроксила
– за счет спиртовых групп
– за счет альдегидной или кето-группы
– ОВР
Гликозиды, простые эфиры
метил--D-глюкопиранозид
В более жестких условиях:
метил-2,3,4,6-тетраметил--D-глюкопиранозид
Сложные эфиры
1,2,3,4,6-пентаацетил--D-глюкопираноза
Фосфорные эфиры:
Г-6-Ф
Г-1-Ф
N-гликозиды
N-этил--D-глюкопиранозиламин
Нуклеозиды – составная часть нуклеиновых кислот:
уридин
дезоксиаденозин
Мононуклеотиды – монофосфорные эфиры нуклеозидов
Реакция с фенилгидразином (Э. Фишер, 1884)
Альдоза
Фенилгидразон
Озазон
Эпимеры образуют одинаковые озазоны
Действие слабых оснований и кислот
• Эпимеризация
– Если к раствору глюкозы добавить известковую воду,
то через 5 сут. → равновесная смесь из 6,35 % глюкозы,
3,5 % фруктозы и 33 % маннозы (3 эпимера)
• При нагревании пентоз с минеральными кислотами –
фурфурол (обнаруживается по реакции с анилином
в уксусной кислоте – ярко-красное окрашивание)
• При нагревании гексоз – неустойчивый
оксиметилфурфурол (красное окрашивание
с резорцином – реакция Селиванова)
Восстановление
Ксилит
Глюцит (сорбит)
Глюцит (сорбит)
Маннит
Окисление
• В щелочной среде
• Реакция "серебряного зеркала" с реактивом Толленса
([Ag(NH3)2]OH)
• Окисление реактивом Бенедикта или реактивом Фелинга
– Реактив Бенедикта: для стабилизации Cu2+ – цитратионы (соли лимонной кислоты)
– Реактив Фелинга: для стабилизации Cu2+ – тартратионы (соли винной кислоты)
– Смесь продуктов
• В нейтральной и кислой средах
– Различные кислоты
– Жесткие окислители – альдаровые кислоты
– Мягкие окислители – альдоновые, уроновые кислоты
Окисление
Глюкаровая (сахарная) кислота
глюконовая
глюкуроновая
кислоты
глюкаровая
Восстанавливающие
дисахариды
(гликозидо-глюкозы)
Мальтоза (-D-глюкопиранозидо-4-()-D-глюкопираноза, солодовый сахар)
Целлобиоза (-D-глюкопиранозидо-4-()-D-глюкопираноза)
Лактоза (-D-галактопиранозидо-4-()-D-глюкопираноза, молочный сахар)
Свойства восстанавливающих дисахаридов
• Реакции, характерные для альдегидной группы
– Реакции окисления – образуются бионовые кислоты
– Реакции восстановления
– Образование озазонов
– Реакции поликонденсации
– Мутаротация
– и т. п.
Невосстанавливающие
дисахариды
(гликозидо-гликозиды)
Сахароза (-D-глюкопиранозидо--D-фруктофуранозид,
тростниковый или свекловичный сахар)
Трегалоза (-D-глюкопиранозидо--D-глюкопиранозид)
Общие свойства дисахаридов
• Реакции, характерные для многоатомных спиртов
– Реакции с гидроксидами металлов (Cu(OH)2)
– Образование простых и сложных эфиров
• Гидролиз (кислотный, ферментативный)
– Инверсия сахарозы
Сахароза
Правовращающая
([]588 = 66,5°)
-Глюкоза
-Фруктоза
Правовращающая
Левовращающая
([]588 = 52,5°)
([]588 = –92°)
Левовращающая смесь
Гомополисахариды
Крахмал
Амилоза
Амилопетин
Гликоген – по строению молекул похож на крахмал, но разветвленные
молекулы плотнее, чем амилопектин
Декстраны – полисахариды бактериального происхождения; молекулы
сильно разветвлены
– Используются как заменители плазмы крови ("клинические
декстраны" – полиглюкин) молекулы плотнее, чем амилопектин
– Компоненты налета на зубах
Целлюлоза (клетчатка)
Опорный материал растений
Хитин
Элементарное звено – N-ацетил--D-глюкозамин
Выполняет опорные и механические функции в животных организмах
Инулин
Фруктан
Накапливается в клубнях топинамбура,
георгина, девясила, корнях одуванчика,
цикория и др.
Заменяет крахмал
Пектиновые вещества
– содержатся в плодах и овощах
– характерно желеобразование
– основа – пектовая кислота (полигалактуроновая кислота):
Свойства полисахаридов
• Реакции, характерные для многоатомных спиртов
– Образование простых и сложных эфиров
– Тринитроцеллюлоза (пироксилин) – бездымный порох
– Динитроцеллюлоза (коллоксилин) – производство пластмасс
(целлулоид), нитролаков, пленок, медицинского клея (коллодий)
– Ацетилцеллюлоза – производство ацетатного шелка
• Гидролиз
– Гидролиз крахмала – декстринизация (при хлебопечении):
Крахмал  растворимый крахмал  декстрины  мальтоза  глюкоза
С I2:
синий
красно-бурый
не дают окраски
Гетерополисахариды
Хондроитинсульфат
Содержит в составе 2 структурные единицы (N-ацетилхондрозин):
– N-ацетил--D-галактозаминсульфат
– -D-глюкуроновую кислоту
Непременная составная часть хряща, костной ткани, сухожилий,
сердечных клапанов и др. подобных тканей животных
Гиалуроновая кислота
Содержит в составе 2 структурные единицы:
– -D-глюкуроновую кислоту
– N-ацетил--D-глюкозамин
Важнейшая составная часть межклеточного вещества тканей
животных (особенно высоко ее содержание в коже, стекловидном
теле глаз, сухожилиях и т. п.)
Гепарин
Содержит в составе 2 структурные единицы:
– -D-глюкозамин в виде двойного производного серной кислоты
– -D-глюкуроновую кислоту
Специфический гетерополисахарид, препятствующий
свертыванию крови у животных и человека
Липиды
Липиды –
• большая и относительно разнородная группа веществ,
содержащихся в тканях живых организмов,
не растворимых в воде, растворимых в органических
растворителях (эфире, бензоле, ацетоне и др.),
являющихся производными высших жирных кислот (ВЖК)
• класс органических соединений, большинство из которых
принадлежит к сложным эфирам многоатомных или
специфически построенных спиртов с ВЖК
Структурные компоненты
липидов
Спирты
• Высшие одноатомные (С16 и >)
–
–
–
–
цетиловый
цериловый
монтановый
мирициловый
СН3–(СН2)14–СН2ОН
СН3–(СН2)24–СН2ОН
СН3–(СН2)26–СН2ОН
СН3–(СН2)28–СН2ОН
глицерин
• Трехатомный спирт глицерин
• Двухатомный аминоспирт сфингозин
• Полициклические спирты стеролы
холестерол(ин)
сфингозин
эргостерол(ин)
• Насыщенные
– пальмитиновая
– стеариновая
СН3–(СН2)14–СООН
СН3–(СН2)16–СООН
ВЖК
• Ненасыщенные с одной двойной связью
– пальмитоолеиновая
– олеиновая
СН3–(СН2)5–СН=СН–(СН2)7–СООН
СН3–(СН2)7–СН=СН–(СН2)7–СООН
• Ненасыщенные с несколькими двойными связями
– линолевая
– линоленовая
– арахидоновая
СН3–(СН2)3–(СН2–СН=СН)2–(СН2)7–СООН
СН3–(СН2–СН=СН)3–(СН2)7–СООН
СН3–(СН2)4–(СН=СН–СН2)4–(СН2)2–СООН
• Ненасыщенные с тройной связью
– тарариновая
СН3–(СН2)10–СС–(СН2)4–СООН
• Циклические
– гиднокарповая
– хаульмугровая
• Оксикислоты
– рицинолевая
СН3–(СН2)5–СН(ОН)–СН2–СН=СН–(СН2)7–СООН
Классификация липидов
Классификация липидов
ЛИПИДЫ
Простые
Сложные
Жиры
Фосфолипиды
Воски
Сфинголипиды
Церамиды
Гликолипиды
Стериды
Жиры
(триглицериды,
триацилглицерины)
Классификации жиров
• По кислотному составу
– Простые – содержат остатки одной ВЖК
– Смешанные – содержат остатки разных ВЖК
• По агрегатному состоянию
– Жидкие – преобладают остатки ненасыщенных ВЖК,
растительные масла
– Твердые – преобладают остатки насыщенных ВЖК,
животные жиры
трипальмитин
пальмитостеароолеин
Характеристики жиров
• Иодное число
–
–
–
–
масса иода (в г), который взаимодействует со 100 г жира
Характеризует непредельность жира
Высыхающие масла – ИЧ > 140
Невысыхающие масла – ИЧ < 90
• Кислотное число
– масса щелочи (в мг), необходимая для нейтрализации свободных
кислот, содержащихся в 1 г жира
– Чем < КЧ, тем выше качество жира
• Эфирное число (число омыления)
– масса щелочи (в мг), необходимая для полного гидролиза 1 г жира
Химические свойства жиров
• Реакции гидролиза
– под воздействием перегретого пара (в промышленности)
– при нагревании с водой в присутствии кислот или щелочей
(омыление)
– под действием липаз (в организме)
• Реакции присоединения
– водорода (гидрирование, гидрогенизация)
– галогена
Окисление жиров
• Прогоркание –
окисление масел
кислородом
воздуха
• Пероксидное
окисление
• Свободнорадикальный
процесс
гидропероксид
гидропероксид
Воски, церамиды
Воски
• Сложные эфиры высших спиртов и ВЖК
• Животные и растительные
• Защитные функции
Примеры восков
• Спермацет – пальмитиновоцетиловый эфир (90%)
СН3–(СН2)14–СО–О–(СН2)15–СН3
• Получают из спермацетового масла черепных полостей
кашалота. Тпл = 41–49°С
• Пчелиный воск – пальмитиновомирициловый эфир
СН3–(СН2)14–СО–О–(СН2)29–СН3
• Под его покровом хранится мед и развиваются личинки
пчел. Тпл = 62–70°С
• Карнаубский воск – церотиновомирициловый эфир
СН3–(СН2)24–СО–О–(СН2)29–СН3
• Желтовато-серый. Покрывает листья пальмы Copernicia
cerifera и защищает растение от потери влаги
Церамиды
• N-ацилированные производные
сфингозина
• В незначительных количествах
присутствуют в тканях растений и
животных
• Являются предшественниками
сложных липидов – сфинголипидов
и гликолипидов (сфингомиелинов,
цереброзидов, ганглиозидов и др.)
Общая формула
церамидов
Стериды
Стериды
• Сложные эфиры специфически построенных циклических
спиртов (стеролов) и ВЖК
• Чаще встречаются свободные стеролы, лишь 10% их
этерифицировано
• В основе молекулы стеролов – стеран
(циклопентанпергидрофенантрен)
фенантрен
пергидрофенантрен
стеран
Фосфолипиды
Фосфолипиды
• Сложные эфиры многоатомных спиртов с ВЖК,
содержащие в молекулах остатки фосфорной кислоты
и связанные с ней добавочные группировки – азотистые
основания, аминокислоты, глицерин, инозит и др.
• Спирты: глицерин, миоинозит и сфингозин
– Глицерофосфолипиды – фосфатиды
– Инозитфосфолипиды – фосфоинозитиды
– Сфингофосфолипиды
миоинозит
Фосфатиды
Лецитин (фосфатидилхолин)
Кефалин (фосфатидилколамин)
Серинфосфатид
Твердые вещества жироподобного вида
Входят в состав биологических мембран
• У каждой фосфолипидной молекулы:
– гидрофобный хвост (цепи двух жирных кислот)
– гидрофильная полярная голова (фосфатная группа)
• Эти молекулы располагаются в мембране хвост к хвосту,
образуя липидный бислой, или «сэндвич»
Инозитфосфолипиды
Сфингофосфолипиды
– Инозитфосфолипиды с двумя
или тремя остатками фосфата
выделены из мозга
– Особенно много –
в миелиновых оболочках
нервных волокон спинного мозга
– Обеспечивают перенос ионов
через мембраны
– Источники вторичных
посредников
Аминокислоты
Аминокислоты
•
органические соединения, в молекулах которых
одновременно присутствуют карбоксильная группа
–СООН и аминогруппа NH2–
Классификация по взаимному
расположению групп NH2– и –СООН


α-, β-, γ- и т. д.
Биологическое значение имеют α-аминоскислоты
-Аминокислоты



структурные элементы в белках
отличаются друг от друга строением боковых групп
(боковых цепей, радикалов)
Аминокислотный состав белков исследуют методами:
 кислотного, щелочного или ферментативного
гидролиза
 ионообменной хроматографией
Две категории аминокислот
1.
2.
Постоянно встречающиеся – 18 аминокислот, амиды
аспарагиновой и глутаминовой кислот (аспарагин
и глутамин)
Иногда встречающиеся: орнитин, -аминоизомасляная,
-карбоксиглутаминовая кислоты и ряд других
производных постоянно встречающихся аминокислот
Постоянно встречающиеся
аминокислоты
Гли
Ала
Вал
Цис
Лей
Иле
Постоянно встречающиеся
аминокислоты
Арг
Лиз
Мет
Постоянно встречающиеся
аминокислоты
Сер
Фен
Гис
Тре
Про
Постоянно встречающиеся
аминокислоты
Тир
Три
Глу
Асп
Асн
Глн
Иногда встречающиеся аминокислоты
Орнитин
(Орн)
-аминоизомасляная
кислота
-карбоксиглутаминовая
кислота
Классификации α-аминокислот
I. По химическому составу
 Алифатические
 Моноаминомонокарбоновые
(нейтральные) – гли, ала, сер,
цис, лей, иле, вал, мет, тре, асн,
глн
 Моноаминодикарбоновые
(кислые) – асп и глу
 Диаминомонокарбоновые
(основные) – лиз, орн, арг
 Ароматические – фен, тир
 Гетероциклические – три, гис, про
II. По природе радикала
 Неполярные
(гидрофобные) –
ала, лей, иле, вал, про, три, мет,
фен
 Полярные (гидрофильные)
 Незаряженные
(неионогенные) – сер, цис,
тре, асн, глн, гли
 Ионогенные:
 С отрицательными
(кислыми) радикалами –
асп, глу, тир
 С положительными
(основными) радикалами –
лиз, орн, арг, гис
Получение α-аминокислот
1.
Микробиологический способ – в процессе
жизнедеятельности бактерий (лиз, глу)
2. Гидролитический метод основан на гидролизе
природных белковых продуктов – рогов, копыт, крови
и др. (цис, лей, иле)
 Оба способа приводят к получению смеси
оптически активных α-аминокислот L-ряда
3. Синтетические методы (мет, глу)
 Дают рацемическую смесь D- и L-аминокислот
Химический синтез α-аминокислот
1. Аминирование -галогенокарбоновых кислот
(У. Перкин, 1858 г.)
СН3–СНBr–СООН + 2NH3(изб.) 
 СН3–СН(NH2)–СООН + NH4Br
Химический синтез α-аминокислот
2.
Циангидридный метод (Штреккер, Н. Д. Зелинский)
KCN + NH4Cl  NH4CN + KCl
NH4CN  HCN + NH3
CH3–CH=O + HCN  CH3–CH(OH)–CN
CH3–CH(OH)–CN + NH3  CH3–CH(NH2)–CN + H2O
CH3–CH(NH2)–CN + 2H2O + HCl 
 CH3–CH(NH2)–COOH + NH4Cl
Химический синтез α-аминокислот
3.
Через малоновый эфир
COOC2H5
O
N
OH
CH2
C
NOH
- H2O
"H"
(CH3CO)2O
HC
нитрозомалоновый эфир
COOC2H5
NH
- CH3COOH
COOC2H5
COOC2H5
малоновый эфир
NH2
- H2O
COOC2H5
HC
COOC2H5
COOC2H5
аминомалоновый эфир
COOC2H5
COCH3
CH3CH2ONa
NaC
NH
- CH3CH2OH
COOC2H5
N-ацетиламиномалоновый эфир
COOC2H5
COCH3
ClCH2CH(CH3)2
- NaCl
Химический синтез α-аминокислот
3.
Через малоновый эфир
COOC2H5
H3C
CH
CH2
CH3
C
NH
COCH3
H2O (HCl)
- CH3COOH; 2C2H5OH
COOC2H5
COOH
H3C
CH
CH3
CH2
C
NH2
COOH
to
- CO2
H3C
CH
CH3
CH2
CH
NH2
COOH
Химический синтез α-аминокислот
4.
При участии эфиров нитроуксусной кислоты
С6Н5–СН=О + H2N–(CH2)3–CH3  C6H5–CH=N–(CH2)3CH3 + H2O
бензойный альдегид
азометин
C6H5–CH=N–(CH2)3CH3 + O2N–CH2–CO–O–CH3 
 C6H5–CH=C(NO2)–CO–O–CH3 + CH3–(CH2)3–NH2
метиловый эфир -нитро--фенилакриловой кислоты
C6H5–CH=C(NO2)–CO–O–CH3 + 4H2 
 C6H5–CH2–CH(NH2)–CO–O–CH3 + 2H2O (кат – Ni)
C6H5–CH2–CH(NH2)–CO–O–CH3 + H2O 
 C6H5–CH2–CH(NH2)–COOH + CH3–OH
(в присутствии HCl)
Свойства аминокислот




Важная особенность – оптическая активность
(кроме гли)
7 аминокислот характеризуются правым (+)
10 – левым (–) вращением
НО все относятся к L-ряду
Обозначения оптических изомеров

(+), (–) – обозначение направления вращения плоскости
поляризации
 (+) – правовращающий изомер
 (–) – левовращающий изомер
H
O
H
C
C
H
O
OH
CH2OH
(+)-глицериновый
альдегид
HO
H
CH2OH
()-глицериновый
альдегид
Обозначения оптических изомеров

D, L – обозначают «фамильные» признаки (выражают
конфигурацию, относительную к опорному
соединению)
 D – изомер имеет ту же конфигурацию, что и (+)глицериновый альдегид
 L – изомер, имеющий энантиомерную (антиподную)
конфигурацию
H
O
H
C
C
H
O
OH
CH2OH
(+)-D-глицериновый
альдегид
HO
H
CH2OH
()-L-глицериновый
альдегид
Обозначения оптических изомеров

R, S – выражают абсолютную
конфигурацию


R – атомные номера
заместителей (кроме
заместителя с наименьшим
атомным номером) или
суммы атомных номеров
убывают по часовой стрелке
S – атомные номера
заместителей (кроме
заместителя с наименьшим
атомным номером) или
суммы атомных номеров
убывают против часовой
стрелки
Cl
Br
Br
C
I
H
Cl
C
I
R
H
S
O
H
HO
C
O
C
H
HOH2C
(+)-D-глицериновый
альдегид
R
HO
C
C
H
H
HOH2C
()-L-глицериновый
альдегид
S
ОН (8 по I слою) > СНО (6 по I
слою, 17 – по II) > СН2ОН (6 по I
слою, 10 – по II) > Н (1 по I слою)
Химические свойства аминокислот

Амфотерность
Химические свойства аминокислот

Образование пептидов
Аланилфенилаланин (дипептид)
Химические свойства аминокислот

Образование комплексов с металлами
Химические свойства аминокислот
Реакции по карбоксильной группе

Реакции солеобразования – с металлами, основными
оксидами, щелочами
2H2N–CH2–COOH + Mg → (H2N–CH2–COO)2Mg + H2

Образование сложных эфиров (этерификация)
H2N–СН2–СООН + Н3С–СН2–ОН ⇄ H2N–СН2–СО–О–СН2–СН3 + Н2О

Образование галогенангидридов
H2N–СН2–СООН + РСl5  H2N–СН2–СО–Сl + РОСl3 + НСl

Образование амидов
H2N–СН2–СООН + NН3  H2N–СН2–СО–NН2 + Н2О

Декарбоксилирование
t  , Cu 2 
 H2N–СН3 + СО2
H2N–СН2–СООН   

Химические свойства аминокислот

Реакции по аминогруппе

Взаимодействие с кислотами
H2N–СН2–СООН + НСl  Сl–N+Н3–СН2–СООН

Ацилирование
H2N–СН2–СООН + Сl–СО–СН2–СН3 
 Н3С–СН2–СО–NН–СН2–СООН + НСl

Алкилирование
H2N–СН2–СООН + СН3I  Н3С–NН–СН2–СООН + НI

Реакция с азотистой кислотой
H2N–СН2–СООН + НNО2  N2 + Н2О + HО–СН2–СООН
Химические свойства аминокислот

Реакции по аминогруппе

Дезаминирование (ферментативное)

Гидролитическое
H2N–СН2–СООН + Н2О  HО–СН2–СООН + NН3

Восстановительное
H3С–СН(NН2)–СООН + 2Н  H3С–СН2–СООН + NН3

Окислительное
H3С–СН(NН2)–СООН + «о»  H3С–СО–СООН + NН3

Внутримолекулярное
H3С–СН(NН2)–СООН  H2С=СН–СООН + NН3
Химические свойства аминокислот

Свойства за счет радикалов

солеобразование (NH2– и –СООН)

окисление и восстановление (НS– и –SS–)

алкилирование, ацилирование и этерификация
(NН2–, ОН–, НО–С6Н4–, –СООН)

амидирование (–СООН)

нитрование и галогенирование (ароматические ядра)

дезаминирование (–NН2)

декарбоксилирование (–СООН)

фосфорилирование и сульфатирование (–ОН)

азосочетание (ароматические и гетероциклические ядра)

и т. д.
Нуклеотиды.
Нуклеиновые
кислоты
Нуклеиновые кислоты …



важнейшие биополимеры, осуществляющие хранение
и передачу генетической информации в живой клетке
2 типа – дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК)
и рибонуклеиновые кислоты (РНК)
При полном гидролизе нуклеиновых кислот в присутствии
хлорной кислоты при нагревании образуются
 пуриновые и пиримидиновые основания
 углеводы (рибоза и дезоксирибоза)
 фосфорная кислота
Пиримидиновые и пуриновые
основания
Пиримидиновые основания
•
•
•
•
•
•
•

Производные пиримидина
Сопряжение -электронов
Бесцветное кристаллическое вещество
Тпл 22С, Ткип 124С
Хорошо растворим в воде
Не дает щелочной реакции, но образует
соли с сильными кислотами
Реакции SN – легко в положения 2, 4, 6
OH
урацил
(2,4-диоксипиримидин)
HO
2
1
6


N
NH2
CH3
N
N

OH
N
HO
N3 4 5
N
тимин (5-метил-2,4диоксипиримидин)
N
HO
N
цитозин (2-окси-4аминопиримидин)
Лактим-лактамная таутомерия
OH
O
N
HO
HN
O
N
OH
O
CH3
N
HO
N
H
N
CH3
HN
O
N
H
NH2
NH2
N
HO
N
N
O
N
H
Пуриновые основания
• Производные пурина
• Высокая степень сопряжения -электронов
• Бесцветное кристаллическое вещество,
растворимое в воде
аденин
(6-аминопурин)
гуанин
(2-амино-6-оксипурин)
Таутомерия
O
OH
N
H2N
HN
N
N
N
H
H2N
N
N
N
H
Рибонуклеотиды
O
NH2
NH
N
N
HO
HO
O
H
O
H
H
O
H
OH
P
N
O
O-
O-
Цитидин-3-монофосфат
(ЦМФ, цитидиновая кислота)
O
O
H
O
H
H
O
H
OH
P
O-
O-
Уридин-3-монофосфат
(УМФ, уридиновая кислота)
Рибонуклеотиды
NH2
N
N
HO
N
O
N
HO
H
H
O
H
OH
P
N
N
O
H
O
O-
O-
Аденозин-3-монофосфат
(АМФ, адениловая кислота)
NH
N
O
H
O
H
H
O
H
OH
P
O-
OГуанозин-3-монофосфат
(ГМФ, гуаниловая кислота)
NH2
Дезоксирибонуклеотиды
NH2
O
N
NH
N
N
O
HO
HO
O
O
H
H
O
P
H
H
O
H
H
H
O-
OДезокситимидин-3-монофосфат
(дТМФ, дезокситимидиновая
кислота)
O
O
H
O
P
H
H
O-
OДезоксицитидин-3-монофосфат
(дЦМФ, дезоксицитидиновая
кислота)
Дезоксирибонуклеотиды
NH2
N
N
HO
N
N
O
H
H
O
H
O
P
H
H
O-
OДезоксиаденозин-3-монофосфат
(дАМФ, дезоксиадениловая
кислота)
Дезоксигуанозин-3-монофосфат
(дГМФ, дезоксигуаниловая
кислота)
• Остаток фосфорной кислоты может быть у 5-атома
С рибозы
• Мононуклеотиды – сильные кислоты (?)
• Гидролизуются до нуклеозидов
– ЦМФ  цитидин + Н3РО4
– УМФ  уридин + Н3РО4
– АМФ  аденозин + Н3РО4
– ГМФ  гуанозин + Н3РО4
– дЦМФ  дезоксицитидин + Н3РО4
– дТМФ  дезокситимидин + Н3РО4
– дАМФ  дезоксиаденозин + Н3РО4
– дГМФ  дезоксигуанозин + Н3РО4
• Дают реакции по типу многоатомных спиртов и за счет
азотистых оснований
• Мононуклеотиды, объединяясь, могут образовывать
олиго- и полинуклеотиды, при этом образуются
фосфодиэфирные связи между 3-атомом С углевода
одного мононуклеотида и 5-атомом С углевода другого
мононуклеотида
в цепь
O
O
HO
NH2
P
N
5'
O
N
O
H
H
O
O
O
H2C
OH
O
P
O
H2C
O
O
O
H
3'
H
H
OH
OH
H3C
5'
N
O
O
H2C
N
H
H
3'
H
H
H
NH2
OH
N
N
O
H2C
5'
N
O
H
H
O
O
P
H
H
H
N
O
O
O
O
N
NH2
в цепь
H
3'
H
H
NH2
OH
N
5'
N
O
H
H
3'
O
H
P
H2C
NH
O
H2C
N
N
O
N
5'
5'
O
H
OH
N
N
H
3'
OH
H3C
H
O
H
P
O
P
H
H
H
O
3'
H
H
N
Функции нуклеотидов
• Нуклеотиды – переносчики энергии (АТФ и др.),
отдельных химических групп (атомы Н, остатки
моносахаридов) и т. д.
• Хранение и передача биологической информации
– Нуклеотиды – строительные блоки для синтеза
нуклеиновых кислот – РНК и ДНК
– Центральная догма молекулярной биологии
Центральная догма
Выводы
• Живые организмы – автономные самовоспроизводящиеся
химические системы
• Они построены из специфического и вместе с тем
ограниченного набора углеродсодержащих малых молекул,
как правило, одних и тех же для всех видов живых существ
Выводы
• Основные группы этих молекул –
– Углеводы – важнейший источник энергии для клеток,
запасают ее, образуя резервные полисахариды
– Жирные кислоты имеют важное значение для запасания
энергии, но самая главная их функция – образование
клеточных мембран
– Полимеры, построенные из аминокислот, – удивительно
разнообразные и многофункциональные молекулы белков
– Нуклеотиды участвуют во внутриклеточной передаче
сигналов и играют центральную роль в переносе энергии,
однако их уникальное значение состоит в том, что они –
субъединицы информационных молекул – РНК и ДНК
Литература
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. – М.:
Высшая школа, 1988
Березов Т. Ю., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. – М.:
Медицина, 1998
Биохимия / Т. Л. Алейникова, Л. В. Андреева [и др.]; Под
ред. Е. С. Северина. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004
Грин Н., Стаут У, Тейлор Д. Биология: В 3-х т. Т. 1. – М.: Мир,
1990
Ермолаев М. В., Ильичева Л. П. Биологическая химия. –
М.: Медицина, 1989
Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.:
Высшая школа, 1998
Крик Ф. Жизнь как она есть: ее зарождение и сущность. –
М.: Институт компьютерных исследований, 2002
Кузнецов В. И., Идлис Г. М., Гутина В. Н. Естествознание. –
М.: Агар, 1996
Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. – М.: Мир, 1985
Литература
• Ленский А. С. Введение в бионеорганическую и
биофизическую химию. – М.: Высшая школа, 1989
• Мецлер Д. Биохимия: В 3-х т. Т. 1. – М.: Мир, 1980
• Морозов Л. Л. Поможет ли физика понять, как возникла
жизнь? // Природа. – 1984. – № 12. – С. 35–48
• Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая
химия. – М.: Высшая школа, 1981
• Пивоваров О. Н. и др. Природа живых систем. – М.: НИА–
Природа, РЭФИА, 2002
• Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых
процессов. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая
динамика», 2001
• Скулачев В. П. Рассказы о биоэнергетике. – М.: Молодая
гвардия, 1985
Литература
• Строев Е. А. Биологическая химия. – М.: Высшая школа, 1986
• Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. – М.: Высшая школа,
1999
• Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. –
М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002
• Югай Г. А. Голография Вселенной и новая универсальная
философия. Возрождение метафизики и революция в
философии. Общая метафизика. – М.: Крафт+, 2007
Учебное издание
Зайцев Михаил Александрович
ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное наглядное пособие
Подписано к использованию 12.05.2017. Заказ № 4300.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Вятский государственный университет».
610000, г. Киров, ул. Московская, 36, тел.: (8332) 74-25-63, http://vyatsu.ru