Составители:
Н.Д.Павловский – доцент кафедры общей и биоорганической химии Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет», кандидат химических наук, доцент;
Т.Н.Пыжик - доцент кафедры общей и биоорганической химии Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет», кандидат биологических наук, доцент
Рецензенты:
Кафедра общей и биоорганической химии Учреждения образования «Гомельский государственный медицинский университет»;
О.Н. Ринейская – зав. кафедрой биоорганической химии Учреждение образования «Белорусский государственный медицинский университет», кандидат медицинских наук, доцент.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой общей и биоорганической химии Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет»
( протокол № 10 от 14 марта 2008 г.)
Центральным научно-методическим советом Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет»
( протокол № 4 от 20 марта 2008 г.)
Секцией по специальности 1-79 01 05 Медико-психологическое дело учебно-методического объединения вузов Республики Беларусь по медицинскому образованию
( протокол № 1 от 21 марта 2008 г.)
Ответственный за выпуск:
И.Г. Жук - первый проректор Учреждения образования «Гродненский государственный медицинский университет», профессор, доктор медицинских наук
Пояснительная записка
Актуальность изучения учебной дисциплины
«Биоорганическая химия»
Биоорганическая химия – это фундаментальная естественнонаучная дисциплина. Биоорганическая химия сформировалась как самостоятельная наука во 2-й половине XX века на стыке органической химии и биохимии. Актуальность изучения биоорганической химии обусловлена практическими задачами, стоящими перед медициной и сельским хозяйством (получение, витаминов, гормонов, антибиотиков, стимуляторов роста растений, регуляторов поведения животных и насекомых, других лекарственных средств), решение которых без использования теоретического и практического потенциала биоорганической химии невозможно.
Биоорганическая химия постоянно обогащается новыми методами выделения и очистки природных соединений, способами синтеза природных соединений и их аналогов, знаниями о взаимосвязи структуры и биологической активности соединений и т.д.
Новейшие подходы к медицинскому образованию, связанные с преодолением репродуктивного стиля в обучении, обеспечением познавательной и исследовательской активности студентов, открывают и новые перспективы для реализации потенциала как личности, так и коллектива.
Цель и задачи учебной дисциплины
Цель: формирование уровня химической компетентности в системе медицинского образования, обеспечивающего последующее изучение медико-биологических и клинических дисциплин.
Задачи:
- освоении студентами теоретических основ химических превращений органических молекул во взаимосвязи с их строением и биологической активностью;
- формирование: знаний молекулярных основ процессов жизнедеятельности;
- развития умений ориентироваться в классификации, строении и свойствах органических соединений, выступающих в роли лекарственных средств;
- формирование логики химического мышления;
- развитие умений использовать методы качественного анализа органических соединений;
Химические знания и навыки, составляющие основу химической компетентности, будут способствовать формированию профессиональной компетенции выпускника.
Требования к освоению учебной дисциплины
Требования к уровню освоения содержания дисциплины «Биоорганическая химия» определены образовательным стандартом высшего образования первой ступени по циклу общих профессиональных и специальных дисциплин, который разработан с учетом требований компетентностного подхода, где указан минимум содержания по дисциплине в виде обобщенных химических знаний и умений, составляющих биоорганическую компетентность выпускника вуза:
а) обобщенные знания:
-понимать сущность предмета как науки и его связи с другими дисциплинами;
- значимость в понимании процессов метаболизма;
- концепцию единства структуры и реакционной способности органических молекул;
- фундаментальные законы химии, необходимые для объяснения процессов, протекающих в живых организмах;
- химические свойства и биологическую значимость основных классов органических соединений.
б) обобщенные умения:
- прогнозировать механизм реакции на основе знаний о строении органических молекул и способов разрыва химических связей;
- объяснять значение реакций для функционирования живых систем;
- использовать полученные знания при изучении биохимии, фармакологии и других дисциплин.
Структура и содержание учебной дисциплины
В данной программе структура содержания дисциплины «биоорганическая химия» состоит из введения в дисциплину и двух разделов, которые охватывают общие вопросы реакционной способности органических молекул, а также свойства гетеро- и полифункциональных соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности. Каждый раздел делится на темы, расположенные в последовательности, обеспечивающей оптимальное изучение и усвоение программного материала. Для каждой темы представлены обобщенные знания и умения, составляющие суть биоорганической компетентности студентов. В соответствии с содержанием каждой темы определены требования к компетенциям (в виде системы обобщенных знаний и умений), для формирования и диагностики которых могут быть разработаны тесты.
Методы обучения
Основными методами обучения, адекватно отвечающими целям изучения данной дисциплины, являются:
- объяснение и консультация;
- лабораторное занятие;
- элементы проблемного обучения (учебно-исследовательская работа студентов);
- научно-исследовательская деятельность студентов (работа в СНО при кафедре).
Образовательным стандартом высшего образования первой ступени по циклу общих профессиональных и специальных дисциплин определено количество часов, отведенных на изучение дисциплины «Биоорганическая химия», - 114 час., из них 58 час. – аудиторные занятия, в том числе: 18 час. – лекционные занятия, 40 час. – лабораторные занятия; 56 час. – на самостоятельную работу студентов.
Самостоятельная работа студентов
Содержание и формы самостоятельной работы студентов, а также оценка их знаний и умений разрабатываются (или выбираются и адаптируются) вузами и кафедрами в соответствии с целями и задачами подготовки специалистов.
Диагностика компетенций студента
Для диагностики формирования компетентности по биоорганической химии используются тесты и традиционные методы: текущий контроль - устный и (или) письменный (тестовый) опрос по вопросам, вынесенным на лабораторное занятие; итоговый контроль осуществляется в виде экзамена.
Примерный тематический план
№ темы | Названия разделов и тем | Количество часов | |
Аудиторные занятия | |||
Лекции | Лабораторные занятия | ||
Введение в дисциплину «Биоорганическая химия» | 2 | 1 | |
Раздел 1. Реакционная способность органических молекул как результат взаимного влияние атомов, механизмы протекания органических реакций | |||
1 | Сопряженные системы, ароматичность, электронные эффекты заместителей | 3 | |
2 | Реакционная способность углеводородов, реакции радикального замещения, электрофильного присоединения и замещения | 2 | 3 |
3 | Кислотно-основные свойства органических соединений | 2 | 3 |
4 | Реакции нуклеофильного замещения у тетрагонального атома углерода и конкурентные им реакции элиминирования | 3 | |
5 | Реакции нуклеофильного присоединения и замещения у тригонального атома углерода | 2 | 3 |
6 | Липиды, классификация, строение, свойства | 2 | 3 |
Раздел 2. Стереоизомерия органических молекул. Поли- и гетерофункциональные соединения, участвующие в процессах жизнедеятельности | |||
7 | Стереоизомерия органических молекул | 2 | 3 |
8 | Физиологически активные поли- и гетерофункциональные соединения алифатического, ароматического и гетероциклического рядов | 6 | |
9 | Углеводы, классификация, строение, свойства, биологическая роль | 2 | 3 |
10 | -Аминокислоты, пептиды, белки. Строение, свойства, биологическая роль | 2 | 6 |
11 | Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты | 2 | 3 |
Количество часов: | 18 | 40 | |
Итого: | 58 |
Содержание программы дисциплины «Биоорганическая химия»
Введение в биоорганическую химию
Биоорганическая химия как наука, изучающая строение органических веществ и их превращения во взаимосвязи с биологическими функциями. Объекты изучения биоорганической химии. Роль биоорганической химии в формировании научной основы для восприятия биологических и медицинских знаний на современном молекулярном уровне.
Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова и ее развитие на современном этапе. Изомерия органических соединений как основа многообразия органических соединений. Типы изомерии органических соединений.
Физико-химические методы выделения и исследования органических соединений, имеющие значение для биомедицинского анализа.
Основные правила систематической номенклатуры IUPAC для органических соединений: заместительная и радикально-функциональная номенклатура.
Пространственное строение органических молекул, его связь с типом гибридизации атома углерода (sp3-, sp2- и sp-гибридизация). Стереохимические формулы. Конфигурация и конформация. Конформации открытых цепей (заслоненная, заторможенная, скошенная). Энергетическая характеристика конформаций. Проекционные формулы Ньюмена. Пространственное сближение определенных участков цепи как следствие конформационного равновесия и как одна из причин преимущественного образования пяти- и шестичленных циклов. Конформации циклических соединений (циклогексан, тетрагидропиран). Энергетическая характеристика конформаций кресла и ванны. Аксиальные и экваториальные связи. Связь пространственного строения с биологической активностью.
Требования к компетентности:
- Знать объекты изучения и основные задачи биоорганической химии,
- Уметь классифицировать органические соединения по строению углеродного скелета и по природе функциональных групп, пользоваться правилами систематической химической номенклатуры.
- Знать основные типы изомерии органических соединений, уметь по структурной формуле соединения определять возможные типы изомеров.
- Знать разные типы гибридизации атомных орбиталей углерода, пространственную направленность связей атома, их тип и число в зависимости от типа гибридизации.
- Знать энергетические характеристики конформаций циклических (конформации кресла, ванны) и ациклических (заторможенная, скошенная, заслоненная конформации) молекул, уметь их изображать проекционными формулами Ньюмена.
- Знать виды напряжений (торсионные, угловые, ван-дер-ваальсовые), возникающие в различных молекулах, их влияние на устойчивость конформации и молекулы в целом.
Раздел 1. Реакционная способность органических молекул как результат взаимного влияния атомов, механизмы протекания органических реакций
Тема 1. Сопряженные системы, ароматичность, электронные эффекты заместителей
Сопряженные системы и ароматичность. Сопряжение (,- и р,-сопряжение). Сопряженные системы с открытой цепью: 1,3-диены (бутадиен, изопрен), полиены (каротиноиды, витамин А). Сопряженные системы с замкнутой цепью. Ароматичность: критерии ароматичности, правило ароматичности Хюккеля. Ароматичность бензоидных (бензол, нафталин, фенантрен) соединений. Энергия сопряжения. Строение и причины термодинамической устойчивости карбо- и гетероциклических ароматических соединений. Ароматичность гетероциклических (пиррол, имидазол, пиридин, пиримидин, пурин) соединений. Пиррольный и пиридиновый атомы азота, -избыточные и -недостаточные ароматические системы.
Взаимное влияние атомов и способы его передачи в органических молекулах. Делокализация электронов как один из факторов повышения устойчивости молекул и ионов, ее широкая распространенность в биологически важных молекулах (порфин, гем, гемоглобин и др.). Поляризация связей. Электронные эффекты заместителей (индуктивный и мезомерный) как причина неравномерного распределения электронной плотности и возникновения реакционных центров в молекуле. Индуктивный и мезомерный эффекты (положительный и отрицательный), их графическое обозначение в структурных формулах органических соединений. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители.
Требования к компетентности:
- Знать виды сопряжения и уметь определять вид сопряжения по структурной формуле соединения.
- Знать критерии ароматичности, уметь по структурной формуле определять принадлежность к ароматическим соединениям карбо- и гетероциклических молекул.
- Уметь оценивать электронный вклад атомов в создание единой сопряженной системы, знать электронное строение пиридинового и пиррольного атомов азота.
- Знать электронные эффекты заместителей, причины их возникновения и уметь графически изображать их действие.
- Уметь относить заместители к электронодонорным или электроноакцепторным на основании проявляемых ими индуктивного и мезомерного эффектов.
- Уметь прогнозировать влияние заместителей на реакционную способность молекул.
Тема 2. Реакционная способность углеводородов. Реакции радикального замещения, электрофильного присоединения и замещения
Общие закономерности реакционной способности органических соединений как химическая основа их биологического функционирования. Химическая реакция как процесс. Понятия: субстрат, реагент, реакционный центр, переходное состояние, продукт реакции, энергия активации, скорость реакции, механизм.
Классификация органических реакций по результату (присоединения, замещения, элиминирования, окислительно-восстановительные) и по механизму – радикальные, ионные (электрофильные, нуклеофильные), согласованные. Типы реагентов: радикальные, кислотные, основные, электрофильные, нуклеофильные. Гомолитический и гетеролитический разрыв ковалентной связи в органических соединениях и образующиеся при этом частицы: свободные радикалы, карбкатионы и карбанионы. Электронное и пространственное строение этих частиц и факторы, обусловливающие их относительную устойчивость.
Реакционная способность углеводородов. Реакции радикального замещения: гомолитические реакции с участием СН-связей sp3- гибридизированного атома углерода. Механизм радикального замещения на примере реакции галогенирования алканов и циклоалканов. Понятие о цепных процессах. Понятие о региоселективности.
Пути образования свободных радикалов: фотолиз, термолиз, окислительно-восстановительные реакции.
Реакции электрофильного присоединения (AE) в ряду непредельных углеводородов: гетеролитические реакции с участием -связи между sp2-гибридизированными атомами углерода. Механизм реакций гидратации и гидрогалогенирования. Кислотный катализ. Правило Марковникова. Влияние статических и динамических факторов на региоселективность реакций электрофильного присоединения. Особенности реакций электрофильного присоединения к диеновым углеводородам и малым циклам (циклопропан, циклобутан).
Реакции электрофильного замещения (SE): гетеролитические реакции с участием -электронного облака ароматической системы. Механизм реакций галогенирования, нитрования, алкилирования ароматических соединений: - и - комплексы. Роль катализатора (кислоты Льюиса) в образовании электрофильной частицы.
Влияние заместителей в ароматическом ядре на реакционную способность соединений в реакциях электрофильного замещения. Ориентирующее влияние заместителей (ориентанты I и II рода).
Требования к компетентности:
- Знать понятия субстрат, реагент, реакционный центр, продукт реакции, энергия активации, скорость реакции, механизм реакции.
- Знать классификацию реакций по различным признакам (по конечному результату, по способу разрыва связей, по механизму) и типы реагентов (радикальные, электрофильные, нуклеофильные).
- Знать электронное и пространственное строение реагентов и факторы, обусловливающие их относительную устойчивость, уметь сравнивать относительную устойчивость однотипных реагентов.
- Знать способы образования свободных радикалов и механизм реакций радикального замещения (SR) на примерах реакций галогенирования алканов и циклоалаканов.
- Уметь определять статистическую вероятность образования возможных продуктов в реакциях радикального замещения и возможность региоселективного протекания процесса.
- Знать механизм реакций электрофильного присоединения (АЕ) в реакциях галогенирования, гидрогалогенирования и гидратации алкенов, уметь качественно оценивать реакционную способность субстратов, исходя из электронных эффектов заместителей.
- Знать правило Марковникова и уметь определять региоселективность протекания реакций гидратации и гидрогалогенирования исходя из влияния статического и динамического факторов.
- Знать особенности реакций электрофильного присоединения к сопряженным диеновым углеводородам и малым циклам (циклопропан, циклобутан).
- Знать механизм реакций электрофильного замещения (SЕ) в реакциях галогенирования, нитрования, алкилирования, ацилирования ароматических соединений.
- Уметь исходя из электронных эффектов заместителей, определять их влияние на реакционную способность ароматического ядра и их ориентирующее действие.
Тема 3. Кислотно-основные свойства органических соединений
Кислотность и основность органических соединений: теории Бренстеда и Льюиса. Стабильность аниона кислоты – качественный показатель кислотных свойств. Общие закономерности в изменении кислотных или основных свойств во взаимосвязи с природой атомов в кислотном или основном центре, электронными эффектами заместителей при этих центрах. Кислотные свойства органических соединений с водородсодержащими функциональными группами (спирты, фенолы, тиолы, карбоновые кислоты, амины, СН-кислотность молекул и кабркатионов). -основания и n-основания. Основные свойства нейтральных молекул, содержащих гетероатомы с неподеленными парами электронов (спирты, тиолы, сульфиды, амины) и анионов (гидроксид-, алкоксид-ионы, анионы органических кислот). Кислотно-основные свойства азотсодержащих гетероциклов (пиррол, имидазол, пиридин). Водородная связь как специфическое проявление кислотно-основных свойств.
Сравнительная характеристика кислотных свойств соединений, содержащих гидроксильную группу (одноатомные и многоатомные спирты, фенолы, карбоновые кислоты). Сравнительная характеристика основных свойств алифатических и ароматических аминов. Влияние электронной природы заместителя на кислотно-основные свойства органических молекул.
Требования к компетентности:
- Знать определения кислот и оснований согласно протолитической теории Бренстеда и электронной теории Льюиса.
- Знать классификацию кислот и оснований Бренстеда в зависимости от природы атомов кислотного или основного центров.
- Знать факторы, влияющие на силу кислот и стабильность сопряженных им оснований, уметь проводить сравнительную оценку силы кислот исходя из стабильности соответствующих им анионов.
- Знать факторы, влияющие на силу оснований Бренстеда, уметь проводить сравнительную оценку силы оснований с учетом этих факторов.
- Знать причины возникновения водородной связи, уметь трактоватьобразование водородной связи как специфическое проявление кислотно-основных свойств вещества.
- Знать причины возникновения кето-енольной таутомерии в органических молекулах, уметь объяснять их с позиции кислотно-основных свойств соединений во взаимосвязи с их биологической активностью.
- Знать и уметь проводить качественные реакции, позволяющие отличать многоатомные спирты, фенолы, тиолы.
Тема 4. Реакции нуклеофильного замещения у тетрагонального атома углерода и конкурентные им реакции элиминирования
Реакции нуклеофильного замещения у sp3-гибридизированного атома углерода: гетеролитические реакции, обусловленные поляризацией связи углерод-гетероатом (галогенопроизводные, спирты). Легко и трудно уходящие группы: связь легкости ухода группы с ее строением. Влияние растворителя, электронных и пространственных факторов на реакционную способность соединений в реакциях моно- и бимолекулярного нуклеофильного замещения (SN1 и SN2). Стереохимия реакций нуклеофильного замещения.
Реакции гидролиза галогенопроизводных. Реакции алкилирования спиртов, фенолов, тиолов, сульфидов, аммиака, аминов. Роль кислотного катализа в нуклеофильном замещении гидроксильной группы. Галогенопроизводные, спирты, эфиры серной и фосфорной кислот как алкилирующие реагенты. Биологическая роль реакций алкилирования.
Реакции моно- и бимолекулярного элиминирования (Е1 и Е2): (дегидратация, дегидрогалогенирование). Повышенная СН-кислотность как причина реакций элиминирования, сопровождающих нуклеофильное замещение у sp3- гибридизированного атома углерода.
Требования к компетентности:
- Знать факторы, определяющие нуклеофильность реагентов, строение важнейших нуклеофильных частиц.
- Знать общие закономерности реакций нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода, влияние статического и динамического факторов на реакционную способность вещества в реакции нуклеофильного замещения.
- Знать механизмы моно- и бимолекулярного нуклеофильного замещения, уметь оценивать влияние стерических факторов, влияние растворителей, влияние статического и динамического факторов на протекание реакции по одному из механизмов.
- Знать механизмы моно- и бимолекулярного элиминирования, причины конкуренции между реакциями нуклеофильного замещения и элиминирования.
- Знать правило Зайцева и уметь определять главный продукт в реакциях дигидратации и дегидрогалогенирования несимметричных спиртов и галогеналканов.
Тема 5. Реакции нуклеофильного присоединения и замещения у тригонального атома углерода
Реакции нуклеофильного присоединения: гетеролитические реакции с участием -связи углерод-кислород (альдегиды, кетоны). Механизм реакций взаимодействия карбонильных соединений с нуклеофильными реагентами (водой, спиртами, тиолами, аминами). Влияние электронных и пространственных факторов, роль кислотного катализа, обратимость реакций нуклеофильного присоединения. Полуацетали и ацетали, их получение и гидролиз. Биологическая роль реакций ацетализации. Реакции альдольного присоединения. Основной катализ. Строение енолят- иона.
Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот. Электронное и пространственное строение карбоксильной группы. Реакции нуклеофильного замещения у sp2-гибридизированного атома углерода (карбоновые кислоты и их функциональные производные). Ацилирующие агенты (галогенангидриды, ангидриды, карбоновые кислоты, сложные эфиры, амиды), сравнительная характеристика их реакционной способности. Реакции ацилирования – образования ангидридов, сложных эфиров, тиоэфиров, амидов – и обратные им реакции гидролиза. Ацетилкофермент А – природный макроэргический ацилирующий агент. Биологическая роль реакций ацилирования. Понятие о нуклеофильном замещении у атомов фосфора, реакции фосфорилирования.
Реакции окисления и восстановления органических соединений. Специфика окислительно-восстановительных реакций органических соединений. Понятие об одноэлектронном переносе, переносе гидрид-иона и действии системы НАД+ НАДН. Реакции окисления спиртов, фенолов, сульфидов, карбонильных соединений, аминов, тиолов. Реакции восстановления карбонильных соединений, дисульфидов. Роль окислительно-восстановительных реакций в процессах жизнедеятельности.
Требования к компетентности:
- Знать электронное и пространственное строение карбонильной группы, влияние электронных и стерических факторов на реакционную способность оксо-группы в альдегидах и кетонах.
- Знать механизм реакций нуклеофильного присоединения воды, спиртов, аминов, тиолов к альдегидам и кетонам, роль катализатора.
- Знать механизм реакций альдольной конденсации, факторы, определяющие участие соедения в этой реакции.
- Знать механизм реакций восстановления оксосоединений гидридами металлов.
- Знать реакционные центры, имеющиеся в молекулах карбоновых кислот. Уметь проводить сравнительную оценку силы карбоновых кислот в зависимости от строения радикала.
- Знать электронное и пространственное строение карбоксильной группы, уметь проводить сравнительную оценку способности атома углерода оксо-группы в карбоновых кислотах и их функциональных производных (галогенангидриды, ангидриды, сложные эфиры, амиды, соли) подвергаться нуклеофильной атаке.
- Знать механизм реакций нуклефильного замещения на примерах реакций ацилирования, этерификации, гидролиза сложных эфиров, ангидридов, галогенангидридов, амидов.
Тема 6. Липиды, классификация, строение, свойства
Липиды омыляемые и неомыляемые. Нейтральные липиды. Естественные жиры как смесь триацилглицеринов. Основные природные высшие жирные кислоты, входящие в состав липидов: пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая. Арахидоновая кислота. Особенности ненасыщенных жирных кислот, -номенклатура.
Пероксидное окисление фрагментов ненасыщенных жирных кислот в клеточных мембранах. Роль пероксидного окисления липидов мембран в действии малых доз радиации на организм. Системы антиоксидантной защиты.
Фосфолипиды. Фосфатидные кислоты. Фосфатидилколамины и фосфатидилсерины (кефалины), фосфатидилхолины (лецитины) – структурные компоненты клеточных мембран. Липидный бислой. Сфинголипиды, церамиды, сфингомиелины. Гликолипиды мозга (цереброзиды, ганглиозиды).
Требования к компетентности:
- Знать классификацию липидов, их строение.
- Знать строение структурных компонентов омыляемых липидов – спиртов и высших жирных кислот.
- Знать механизм реакций образования и гидролиза простых и сложных липидов.
- Знать и уметь проводить качественные реакции на непредельные жирные кислоты и масла.
- Знать классификацию неомыляемых липидов, иметь представления о принципах классификации терпенов и стероидов, их биологической роли.
- Знать биологическую роль липидов, их основные функции, иметь представления об основных этапах перекисного окисления липидов и последствиях этого процесса для клетки.
Раздел 2. Стереоизомерия органических молекул. Поли- и гетерофункциональные соединения, участвующие в процессах жизнедеятельности
Тема 7. Стереоизомерия органических молекул
Стереоизомерия в ряду соединений с двойной связью (-диастереомерия). Цис- и транс-изомерия непредельных соединений. Е, Z – система обозначений -диастереомеров. Сравнительная устойчивость -диастереомеров.
Хиральные молекулы. Ассиметрический атом углерода как центр хиральности. Стереоизомерия молекул с одним центром хиральности (энантиомерия). Оптическая активность. Проекционные формулы Фишера. Глицериновый альдегид как конфигурационный стандарт, абсолютная и относительная конфигурация. D,L-система стереохимической номенклатуры. R,S-система стереохимиеской номенклатуры. Рацемические смеси и способы их разделения.
Стереоизомерия молекул с двумя и более центрами хиральности. Энантиомеры, диастереомеры, мезоформы.
Требования к компетентности:
- Знать причины возникновения стереоизомерии в ряду алкенов и диеновых углеводородов.
- Уметь по сокращенной структурной формуле непредельного соединения определять возможность существования -диастереомеров, различать цис- транс –изомеры, оценивать их сравнительную устойчивость.
- Знать элементы симметрии молекул, необходимые условия для возникновения хиральности у органической молекулы.
- Знать и уметь изображать энантиомеры с помощью проекционных формул Фишера, высчитывать число ожидаемых стереоизомеров исходя из числа хиральных центров в молекуле, принципы определения абсолютной и относительной конфигурации, D-, L-систему стереохимической номенклатуры.
- Знать способы разделения рацематов, основные принципы R,S-системы стереохимической номенклатуры.
Тема 8. Физиологически активные поли- и гетерофункциональные соединения алифатического, ароматического и гетероциклического рядов
Поли- и гетерофункциональность как один из характерных признаков органических соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности и являющихся родоначальниками важнейших групп лекарственных средств. Особенности во взаимном влиянии функциональных групп в зависимости от их относительного расположения.
Многоатомные спирты: этиленгликоль, глицерин. Сложные эфиры многоатомных спиртов с неорганическими кислотами (нитроглицерин, фосфаты глицерина). Двухатомные фенолы: гидрохинон. Окисление двухатомных фенолов. Система гидрохинон-хинон. Фенолы как антиоксиданты (ловушки свободных радикалов). Токоферолы.
Двухосновные карбоновые кислоты: щавелевая, малоновая, янтарная, глутаровая, фумаровая. Превращение янтарной кислоты в фумаровую как пример биологически важной реакции дегидрирования. Реакции декарбоксилирования, их биологическая роль.
Аминоспирты: аминоэтанол (коламин), холин, ацетилхолин. Роль ацетилхолина в химической передаче нервного импульса в синапсах. Аминофенолы: дофамин, норадреналин, адреналин. Понятие о биологической роли этих соединений и их производных. Нейротоксическое действие 6-гидроксидофамина и амфетаминов.
Гидрокси- и аминокислоты. Реакции циклизации: влияние различных факторов на процесс образования циклов (реализация соответствующих конформаций, размер образующегося цикла, энтропийный фактор). Лактоны. Лактамы. Гидролиз лактонов и лактамов. Реакция элиминирования -гидрокси и аминокислот.
Альдегидо- и кетокислоты: пировиноградная, ацетоуксусная, щавелевоуксусная, -кетоглутаровая. Кислотные свойства и реакционная способность. Реакции декарбоксилирования -кетокислот и окислительного декарбоксилирования -кетокислот. Ацетоуксусный эфир, кето-енольная таутомерия. Представители «кетоновых тел» - -гидроксимасляная, -кетомасляная кислоты, ацетон, их биологическое и диагностическое значение.
Гетерофункциональные производные бензольного ряда как лекарственные средства. Салициловая кислота и ее производные (ацетилсалициловая кислота).
Пара-аминобензойная кислота и ее производные (анестезин, новокаин). Биологическая роль п-аминобензойной кислоты. Сульфаниловая кислота и ее амид (стрептоцид).
Гетероциклы с несколькими гетероатомами. Пиразол, имидазол, пиримидин, пурин. Пиразолон-5 – основа ненаркотических анальгетиков. Барбитуровая кислота и ее производные. Гидроксипурины (гипоксантин, ксантин, мочевая кислота), их биологическая роль. Гетероциклы с одним гетероатомом. Пиррол, индол, пиридин. Биологически важные производные пиридина – никотинамид, пиридоксаль, производные изоникотиновой кислоты. Никотинамид – структурный компонент кофермента НАД+, обуславливающий его участие в ОВР.
Требования к компетентности:
- Уметь классифицировать гетерофункциональные соединения по составу и по их взаимному расположению.
- Знать специфические реакции амино- и гидроксикислот с,, - расположением функциональных групп.
- Знать реакции, ведущие к образованию биологически активных соединений: холина, ацетилхолина, адреналина.
- Знать роль кето-енольной таутомерии в проявлении биологической активности кетокислот (пировиноградной, щавелевоуксусной, ацетоуксусной) и гетероциклических соединений (пиразола, барбитуровой кислоты, пурина).
- Знать способы окислительно-восстановительных превращений органических соединений, биологическую роль окислительно-восстановительных реакций в проявлении биологической активности двухатомных фенолов, никотинамида, образовании кетоновых тел.
Тема 9. Углеводы, классификация, строение, свойства, биологическая роль
Углеводы, их классификация по отношению к гидролизу. Классификация моносахаридов. Альдозы, кетозы: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Стереоизомерия моносахаридов. D- и L-ряды стереохимической номенклатуры. Открытые и циклические формы. Формулы Фишера и формулы Хеуорса. Фуранозы и пиранозы, - и -аномеры. Цикло-оксо-таутомерия. Конформации пиранозных форм моносахаридов. Строение наиболее важных представителей пентоз (рибоза, ксилоза); гексоз (глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза); дезоксисахаров (2-дезоксирибоза); аминосахаров (глюкозамин, маннозамин, галактозамин).
Химические свойства моносахаридов. Реакции нуклеофильного замещения с участием аномерного центра. О- и N-гликозиды. Гидролиз гликозидов. Фосфаты моносахаридов. Окисление и восстановление моносахаридов. Восстановительные свойства альдоз. Гликоновые, гликаровые, гликуроновые кислоты.
Олигосахариды. Дисахариды: мальтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Строение, цикло-оксо-таутомерия. Гидролиз.
Полисахариды. Общая характеристика и классификация полисахаридов. Гомо- и гетерополисахариды. Гомополисахариды: крахмал, гликоген, декстраны, целлюлоза. Первичная структура, гидролиз. Понятие о вторичной структуре (крахмал, целлюлоза).
Требования к компетентности:
- Знать классификацию моносахаридов (по числу атомом углерода, по составу функциональных групп), строение открытых и циклических форм (фуранозы, пиранозы) важнейших моносахаридов, их отношение D- и L- рядам стереохимической номенклатуры, уметь определять число возможных диастереомеров, относить стереоизомеры к диастереомерам, эпимерам, аномерам.
- Знать механизм реакций циклмизации моносахаридов, причины мутаротации растворов моносахаридов.
- Знать химические свойства моносахаридов: окислительно-восстановительные реакции, реакции образования и гидролиза О- и N-гликозидов, реакции этерификации, фосфорилирования.
- Уметь проводить качественные реакции на диольный фрагмент и наличие восстанавливающих свойств моносахаридов.
- Знать классификацию дисахаридов и их строение, конфигурацию аномерного атома углерода, образующего гликозидную связь, таутомерные превращения дисахаридов, их химические свойства, биологическую роль.
- Знать классификацию полисахаридов (по отношению к гидролизу, по моносахаридному составу), строение важнейших представителей гомополисахаридов, конфигурацию аномерного атома углерода, образующего гликозидную связь, их физические ихимические свойства, биологическую роль. Иметь представления о биологической роли гетерополисахаридов.
Тема 10. -Аминокислоты, пептиды, белки. Строение, свойства, биологическая роль
Строение, номенклатура, классификация -аминокислот, входящих в состав белков и пептидов. Стереоизомерия -аминокислот.
Биосинтетические пути образования -аминокислот из оксокислот: реакции восстановительного аминирования и реакции переаминирования. Незаменимые аминокислоты.
Химические свойства -аминокислот как гетерофункциональных соединений. Кислотно-основные свойства -аминокислот. Изоэлектрическая точка, методы разделения -аминокислот. Образование внутрикомплексных солей. Реакции этерификации, ацилирования, алкилирования. Взаимодействие с азотистой кислотой и формальдегидом, значение этих реакций для анализа аминокислот.
-Аминомасляная кислота – тормозной медиатор ЦНС. Антидепрессивное действие L-триптофана, серотонин – как нейромедиатор сна. Медиаторные свойства глицина, гистамина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Биологически важные реакции -аминокислот. Реакции дезаминирования и гидроксилирования. Декарбоксилирование -аминокислот – путь к образованию биогенных аминов и биорегуляторов (коламин, гистамин, триптамин, серотонин.) Пептиды. Электронное строение пептидной связи. Кислотный и щелочной гидролиз пептидов. Установление аминокислотного состава с помощью современных физико-химических методов (методы Сенгера и Эдмана). Понятие о нейропептидах.
Первичная структура белков. Частичный и полный гидролиз. Понятие о вторичной, третичной и четвертичной структурах.
Требования к компетентности:
- Знать строение, стереохимическую классификацию -аминокислот, принадлежность к D- и L-стереохимическим рядам природных аминокислот, незаменимые аминокислоты.
- Знать пути синтеза -аминокислот in vivo и in vitro, знать кислотно-основные свойства и способы перевода -аминокислот в изоэлектрическое состояние.
- Знать химические свойства -аминокислот (реакции по амино- и карбоксильной группам), уметь проводить качественные реакции (ксантопротеиновую,, с Сu(ОН)2, нингидрином).
- Знать электронное строение пептидной связи, первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру белков и петидов, знать способы определения аминокислотного состава и аминокислотной последовательности (метод Сенгера, метод Эдмана), уметь проводить биуретовую реакцию на пептиды и белки.
- Знать принцип метода синтеза пептидов с использованием защиты и активации функциональных групп.
Тема 11. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот. Пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания, их ароматичность, таутомерные превращения.
Нуклеозиды, реакции их образования. Характер связи нуклеинового основания с углеводным остатком; конфигурация гликозидного центра. Гидролиз нуклеозидов.
Нуклеотиды. Строение мононуклеотидов, образующих нуклеиновые кислоты. Номенклатура. Гидролиз нуклеотидов.
Первичная структура нуклеиновых кислот. Фосфодиэфирная связь. Рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты. Нуклеотидный состав РНК и ДНК. Гидролиз нуклеиновых кислот.
Понятие о вторичной структуре ДНК. Роль водородных связей в формировании вторичной структуры. Комплементарность нуклеиновых оснований.
Лекарственные средства на основе модифицированных нуклеиновых оснований (5-фторурацил, 6-меркаптопурин). Принцип химического подобия. Изменение структуры нуклеиновых кислот под действием химических веществ и радиации. Мутагенное действие азотистой кислоты.
Нуклеозидполифосфаты (АДФ, АТФ), особенности их строения, позволяющие выполнять функции макроэргических соединений и внутриклеточных биорегуляторов. Строение цАМФ – внутриклеточного «посредника» гормонов.
Требования к компетентности:
- Знать строение пиримидиновых и пуриновых азотистых оснований, их таутомерные превращения.
- Знать механизм реакций образования N-гликозидов (нуклеозидов) и их гидролиза, номенклатуру нуклеозидов.
- Знать принципиальные сходство и различия природных и синтетических нуклеозидов-антибиотиков в сравнении с нуклеозидами, входящимив состав ДНК и РНК.
- Знать реакции образования нуклеотидов, строение мононуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, их номенклатуру.
- Знать строение цикло- и полифосфатов нуклеозидов, их биологическую роль.
- Знать нуклетидный состав ДНК и РНК, роль фосфодиэфирной связи в создании первичной структуры нуклеиновых кислот.
- Знать роль водородных связей в формировании вторичной структуры ДНК, комплементарность азотистых оснований, роль комплементарных взаимодействий в осуществлении биологической функции ДНК.
- Знать факторы, вызывающие возникновения мутаций, и принцип их действия.
Информационная часть
Список литературы
Основная:
- Романовский, И.В. Основы биоорганической химии: учебное пособие в 2-х частях / И.В.Романовский. - Минск: БГМУ, 2003. - 272 с.
- Романовский, И.В. Руководство к практикуму по биоорганической химии: учебное пособие / под редакцией И.В. Романовского. – Минск: БГМУ, 1999. – 132 с.
- Тюкавкина, Н.А., Биоорганическая химия: учебник / Н.М.Тюкавкина, Ю.И.Бауков. – Москва: Медицина, 1991. – 528 с.
Дополнительная:
4. Овчинников, Ю.А. Биоорганическая химия: монография / Ю.А.Овчинников.
– Москва: Просвещение, 1987. – 815 с.
5. Потапов, В.М. Стереохимия: учебное пособие / В.М. Потапов. - Москва:
Химия, 1988. – 464 с.
6. Райлс, А. Основы органической химии: учебное пособие / А. Райс, К. Смит,
Р. Уорд. – Москва: Мир, 1989. – 352 с.
7. Тейлор, Г. Основы органической химии: учебное пособие / Г.Тейлор. -
Москва: Мир. - 1989. - 384 с.
8. Терней, А. Современная органическая химия: учебное пособие в 2-х томах /
А. Терней. – Москва: Мир, 1981. – 1310 с.
9. Тюкавкина, Н.А. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической
химии: учебное пособие / Н.Н. Артемьева [и др.]; под редакцией Н.А.
Тюкавкиной. – Москва: Медицина, 1985. – 256 с.
10. Тюкавкина, Н.А., Биоорганическая химия: Учебник для студентов
медицинских институтов / Н.М. Тюкавкина, Ю.И. Бауков. – Москва:
Медицина, 1985. – 480 с.