Биоорганическая химия: основы строения органических соединений, гибридизация, стереохимия и механизмы реакций

Enviado por Anónimo y clasificado en Química

Escrito el 14 de Octubre de 2026 en ruso con un tamaño de 70,33 KB

1) Биоорганическая химия: определение, объекты, задачи, методы исследования

Определение: Наука, изучающая строение и биологические функции важнейших компонентов живой материи, прежде всего биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов, с целью выяснения взаимосвязи между структурой и биологическим действием (по Ю.А. Овчинникову).

Объекты: Белки, углеводы, нуклеиновые кислоты; смешанные биополимеры (гликопротеины, липопротеины); витамины, гормоны, алкалоиды, токсины; лекарственные средства.

Задачи: Выделение вещества, установление его структуры, химический синтез или модификация, биологическое тестирование.

Методы: Химические (синтез, выделение), физико-химические (для установления структуры), математические (статистика, моделирование), биологические (биотесты in vitro и in vivo).

2) Теория строения органических соединений А. М. Бутлерова

1. Атомы в молекулах соединены в определенном порядке согласно их валентности. Это химическое строение.

2. Свойства вещества зависят не только от состава, но и от химического строения.

3. Атомы и группы атомов в молекуле влияют друг на друга.

4. По свойствам можно установить строение, и наоборот — по строению предсказать свойства.

Современное дополнение: Свойства определяются химическим, электронным и пространственным строением молекулы.

3) Строение атома углерода, понятие о гибридизации

Атом углерода: Электронная конфигурация основного состояния — 1s²2s²2p² (валентность 2). В возбужденном состоянии — 1s²2s¹2p³ (валентность 4). На внешнем уровне четыре орбитали: одна s и три p.

Гибридизация: Гипотетический процесс смешивания атомных орбиталей (в данном случае s и p) для выравнивания их по форме и энергии. Это позволяет достичь более эффективного перекрывания при образовании связей. Гибридные орбитали ориентируются в пространстве для максимального удаления друг от друга.

4) Гибридизация атома С, образование σ- и π-связей на примере алканов, алкенов и алкинов

Алканы (sp³-гибридизация): Смешиваются одна s и три p орбитали. Образуются 4 равноценные sp³-орбитали, направленные к вершинам тетраэдра (угол 109.5°). Только σ-связи. Пример: метан (CH₄).

Алкены (sp²-гибридизация): Смешиваются одна s и две p орбитали. Образуются 3 sp²-орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120°. Одна p-орбиталь остается негибридной. Одна σ-связь (между гибридными орбиталями) и одна π-связь (боковое перекрывание p-орбиталей). Пример: этилен (CH₂=CH₂).

Алкины (sp-гибридизация): Смешиваются одна s и одна p орбиталь. Образуются 2 sp-орбитали, расположенные линейно (угол 180°). Две p-орбитали остаются негибридными. Одна σ-связь и две π-связи. Пример: ацетилен (HC≡CH).

5) Понятие о функциональных группах. Основные классы органических соединений и основные типы функциональных групп

Функциональная группа (ФГ): Атом или группа атомов определенного строения, которая проявляет одинаковые химические свойства в разных соединениях.

Основные классы и их ФГ (по лекции 2):

Спирты, фенолы: -OH (гидроксильная)
Альдегиды: -CHO (карбонильная, терминальная)
Кетоны: >C=O (карбонильная, в цепи)
Карбоновые кислоты: -COOH (карбоксильная)
Сложные эфиры: -COOR
Амины: -NH₂, >NH, >N- (аминогруппа)
Амиды: -CONH₂
Нитрилы: -C≡N (цианогруппа)
Галогенпроизводные: -F, -Cl, -Br, -I
Меркаптаны (тиолы): -SH
Нитросоединения: -NO₂

6) Классификация органических соединений

1. По типу углеродного скелета:

Ациклические (алифатические): открытая цепь (алканы, алкены, алкины).
Карбоциклические: цикл из атомов углерода (алициклические, ароматические).
Гетероциклические: цикл с гетероатомами (O, N, S).

2. По наличию функциональных групп:

Углеводороды (без ФГ).
Производные углеводородов (содержат ФГ).

7) Типы номенклатуры органических соединений. Основные принципы рациональной номенклатуры

Тривиальная: Связана с источником или историей (уксусная кислота, муравьиный спирт). Правил нет.
Рациональная (полутривиальная): Вещество рассматривается как производное самого простого представителя своего класса (название которого — тривиальное). Например: этилен, тетраметилэтилен.
Систематическая (IUPAC): Полностью отражает строение вещества по строгим правилам.

8) Типы номенклатуры органических соединений. Основные принципы номенклатуры IUPAC

Название строится на основе родоначальной структуры (самая длинная углеродная цепь, цикл).
Форма названия: [Локант]-[Отделяемый префикс (заместители)]-[Основа (родоначальный гидрид)]-[Суффикс (кратные связи и старшая ФГ)].

Правила:

Выбрать главную цепь (самую длинную, с главной ФГ, с кратными связями).
Пронумеровать ее так, чтобы главная ФГ и кратные связи получили наименьшие номера (локанты).
Заместители перечисляются в алфавитном порядке (умножающие приставки ди-, три- не учитываются).
Локанты и названия разделяются дефисами, числа в сложных заместителях — запятыми.

9) Гомология и изомерия органических соединений. Основные виды структурной и пространственной изомерии (стереоизомерии)

Гомологи: Вещества, сходные по строению и свойствам, отличающиеся на одну или несколько групп -CH₂- (гомологическая разность). Образуют гомологический ряд (например, алканы).
Изомеры: Вещества с одинаковым составом молекул, но разным строением и свойствами.

Виды изомерии:

Структурная: Разный порядок связей атомов (изомерия углеродного скелета, положения ФГ, межклассовая).
Пространственная (стереоизомерия): Одинаковый порядок связей, но разное расположение атомов в пространстве.
- Конформационная: вращение вокруг σ-связей (ротамеры).
- Геометрическая (цис/транс, E/Z): вокруг π-связи или цикла.
- Оптическая: несовместимость с зеркальным отражением (хиральность).

10) Оптическая изомерия. Оптическая активность. Хиральность

Оптическая активность: Способность вещества вращать плоскость поляризованного света.
Хиральность: Свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением (как правая и левая руки).
Условие хиральности: Отсутствие внутренней плоскости симметрии. Чаще всего связана с наличием асимметрического атома (атома С, связанного с 4 разными заместителями).
Измерение: Угол вращения α измеряется поляриметром. Удельное вращение [α]D²⁰ — характеристика вещества.

11) Энантиомеры, диастереомеры, мезоформа, рацемат

Энантиомеры: Зеркальные изомеры. Несовместимы друг с другом. Обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами в ахиральной среде, но вращают свет в противоположные стороны (например, R и S).
Диастереомеры: Стереоизомеры, которые не являются зеркальным отражением друг друга. Имеют разные физические и химические свойства (например, RR и RS).
Мезоформа: Соединение с несколькими хиральными центрами, которое имеет внутреннюю плоскость симметрии и поэтому оптически неактивно (например, (2R,3S)-винная кислота).
Рацемат: Эквимолярная смесь пары энантиомеров. Оптически неактивна (обозначение (±)).

12) Геометрическая изомерия. E- и Z-изомеры

Возникает из-за невозможности свободного вращения вокруг двойной связи (или в цикле).
Заместители у каждого атома двойной связи распределены по «старшинству» (по правилам CIP, как для оптических изомеров).
E-изомер (от entgegen — противоположный): старшие заместители находятся по разные стороны от двойной связи.
Z-изомер (от zusammen — вместе): старшие заместители находятся по одну сторону от двойной связи.
Это разные вещества, так как для их взаимопревращения требуется разрыв π-связи.

13) Конформационная изомерия — конформеры. Заслоненная, заторможенная, гош-конформация (на примере бутана). Проекции Ньюмена

Конформеры (ротамеры): Стереоизомеры, образующиеся при вращении вокруг σ-связи. Их можно перевести друг в друга без разрыва связей.
Проекция Ньюмена: Способ изображения, когда смотрят вдоль связи C-C.

Конформации бутана (по C2-C3):

Заслоненная: все связи на переднем и заднем атомах С расположены друг за другом. Максимальная энергия (напряжение).
Заторможенная: связи максимально удалены друг от друга. Минимальная энергия.
Гош-конформация: промежуточная. Метильные группы находятся на расстоянии 60° друг от друга.

14) Типы химической связи — ковалентная, водородная, ионная. Типы ковалентных связей

Ковалентная: образуется за счет обобществления электронов. Может быть полярной (между разными атомами) и неполярной (между одинаковыми).
Ионная: образуется за счет электростатического притяжения между ионами (например, в солях карбоновых кислот).
Водородная: межмолекулярное (или внутримолекулярное) взаимодействие между атомом Н (связанным с O, N, F) и неподеленной парой электронов другого атома O, N, F. Слабее ковалентной, но сильнее ван-дер-ваальсовых.

Типы ковалентных связей (по перекрыванию):

σ-связь: перекрывание вдоль линии, соединяющей ядра.
π-связь: боковое перекрывание p-орбиталей выше и ниже плоскости.

15) Свойства связи — длина, энергия, полярность, поляризуемость. Понятие об электроотрицательности

Длина связи: расстояние между ядрами. Чем выше кратность, тем длина меньше: C-C > C=C > C≡C.
Энергия связи: энергия, необходимая для ее разрыва. Чем выше кратность, тем энергия больше: C-C < C=C < C≡C.
Полярность: смещение электронной плотности к более электроотрицательному атому. Измеряется дипольным моментом.
Поляризуемость: способность связи изменять свою полярность под действием внешнего электрического поля.
Электроотрицательность (ЭО): способность атома притягивать к себе электронную плотность. Ряд ЭО: F > O > Cl > N > Br > I > S > C > H.

16) Влияние атомов в молекуле. Электронные эффекты заместителей (индуктивный, мезомерный)

Индуктивный эффект (I): передача электронной плотности по σ-связям.
- +I (донорный): алкильные группы (-CH₃, -C₂H₅) отталкивают электронную плотность.
- -I (акцепторный): галогены, -OH, -NO₂, -COOH оттягивают электронную плотность.
Мезомерный эффект (M): передача электронной плотности по сопряженной системе π-связей.
- +M (донорный): -OH, -OCH₃, -NH₂ подают электроны в сопряженную систему (неподеленная пара участвует в сопряжении).
- -M (акцепторный): -NO₂, -CHO, -COOH оттягивают электроны из сопряженной системы.

Примеры комбинаций:

-I/-M: -NO₂, -C≡N (сильные акцепторы).
-I/+M: -OH, -OCH₃, -NH₂ (акцепторы по σ-связи, но сильные доноры по π-связи; в итоге — общий донорный эффект).
-I (сильнее) и +M (слабее): галогены (-F, -Cl). В итоге они являются акцепторами по индукции, но слабыми донорами по мезомерии.

17) Органические реакции. Классификация реакций

По результату: замещение (S), присоединение (Ad), отщепление (E), перегруппировка.
По характеру разрыва связей:
- Гомолитический: радикальные реакции (SR, AdR). Образуются радикалы.
- Гетеролитический: ионные реакции. Образуются карбкатионы или карбанионы.
  - Нуклеофильные (N): атака нуклеофилом (S_N, Ad_N).
  - Электрофильные (E): атака электрофилом (S_E, Ad_E).
По механизму: согласованные (перициклические).
По изменению степени окисления: окисление, восстановление.

18) Типы реагентов в органической химии — электрофилы, нуклеофилы, радикалы

Электрофил («любит электроны»): частица с недостатком электронной плотности (катион или нейтральная молекула с вакантной орбиталью). Примеры: H⁺, Br⁺, NO₂⁺, AlCl₃.
Нуклеофил («любит ядро», т. е. положительный заряд): частица с избытком электронной плотности (анион или нейтральная молекула с неподеленной парой). Примеры: OH⁻, NH₃, RO⁻, Br⁻.
Радикал: частица с неспаренным электроном. Примеры: Cl•, Br•, RO•.

19) Карбкатионы, карбанионы, радикалы — факторы, определяющие стабильность частиц

Карбкатионы (R₃C⁺): стабильность растет с увеличением числа алкильных заместителей: третичный > вторичный > первичный. Алкильные группы стабилизируют катион за счет +I эффекта и гиперконъюгации.
Карбанионы (R₃C⁻): стабильность растет с увеличением электроноакцепторных заместителей (-I, -M), которые делокализуют отрицательный заряд. Алкильные группы нестабилизируют.
Радикалы (R₃C•): стабильность растет аналогично карбкатионам: третичный > вторичный > первичный (стабилизация за счет алкильных групп).

20) Кислотность и основность по Бренстеду и Льюису. Факторы, влияющие на силу кислот и оснований. Теория ЖМКО

Бренстед: кислота — донор протона H⁺; основание — акцептор протона.
Льюис: кислота — акцептор электронной пары (электрофил); основание — донор электронной пары (нуклеофил).

Факторы, влияющие на силу кислоты:

Стабильность сопряженного основания (аниона). Чем стабильнее анион, тем кислота сильнее.
Электроотрицательность атома, несущего заряд.
Делокализация заряда (резонанс).

Факторы, влияющие на силу основания:

Основность параллельна нуклеофильности (но не всегда).

Теория ЖМКО (жестких и мягких кислот и оснований, Пирсона): «жесткие» кислоты (малый радиус, высокий заряд) предпочитают «жесткие» основания (также малые, сильно электроотрицательные). «Мягкие» предпочитают «мягкие». Пример: H⁺ (жесткая) связывается с OH⁻ (жесткое), а не с I⁻ (мягкое).

21) Реакции радикального замещения. Устойчивость радикалов. Селективность галогенирования

Механизм SR (на примере хлорирования):

Инициация (зарождение цепи): гомолиз Cl₂ → 2Cl• (под действием света).
Развитие цепи: Cl• + CH₄ → CH₃• + HCl; CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•.
Обрыв цепи: рекомбинация любых двух радикалов.

Селективность зависит от природы галогена:

Cl₂ — малоселективен, образует смесь изомеров, но предпочтительно замещение у более замещенного (третичного) атома С.
Br₂ — высокоселективен, замещение идет преимущественно по третичному атому С.

Причина: стабильность образующегося радикала (третичный > вторичный > первичный).

22) Реакции радикального замещения. Радикальное аутоокисление

Процесс окисления кислородом воздуха по радикальному механизму.

Стадии:

RH + O₂ → R• + HOO•
R• + O₂ → ROO•
ROO• + RH → ROOH + R•

Значение: прогоркание масел, старение полимеров, разрушение клеточных мембран (ПОЛ).
Ускоряется ионами металлов переменной валентности. Тормозится антиоксидантами (например, витамин Е).

23) Реакции электрофильного присоединения на примере алкенов. Сравнение реакционной способности алкенов и алкинов

Общий механизм (AdE):

Медленная стадия: атака электрофила E⁺ на π-связь, образование карбкатиона.
Быстрая стадия: атака нуклеофила Nu⁻ на карбкатион.

Сравнение реакционной способности:

Алкены (С=С) более реакционноспособны в реакциях AdE, чем алкины (С≡С), несмотря на то, что в алкинах две π-связи.
Причина: промежуточный карбкатион алкена более стабилен, чем винильный карбкатион алкина. Алкины обычно вступают в реакции AdE труднее и часто требуют катализа.

24) Галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация алкенов и алкинов. Правило Марковникова

Реакции: галогенирование (+Hal₂), гидрогалогенирование (+HHal), гидратация (+H₂O в кислой среде).
Правило Марковникова: при присоединении полярной молекулы типа H-Y к несимметричному алкену водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода двойной связи.
Суть правила: водород присоединяется так, чтобы образовался более стабильный карбкатион.
Нарушение правила (эффект Хараша) наблюдается в радикальных реакциях (с HBr и пероксидами).
Гидратация алкинов (реакция Кучерова): присоединение воды к алкинам в присутствии солей ртути. Образуются карбонильные соединения (альдегиды для терминальных алкинов, кетоны — для внутренних).

25) Понятие об ароматичности. Признаки и критерии ароматичности. Отличие ароматических молекул от сопряженных полиенов

Ароматичность: повышенная устойчивость молекулы, обусловленная делокализацией π-электронов в циклической сопряженной системе.

Критерии (правило Хюккеля):

Циклическая плоская система.
Все атомы в цикле в sp²-гибридизации.
Замкнутая сопряженная система.
Число π-электронов равно 4n+2 (где n = 0, 1, 2...).

Отличие от полиенов: в сопряженных полиенах (например, бутадиен) система открытая, нет циркуляции электронов, поэтому нет повышенной стабильности (ароматичности), и они легко вступают в реакции присоединения.

26) Электрофильное замещение в ароматических углеводородах. Влияние заместителей I и II рода

Механизм (SEAr):

Атака электрофилом E⁺ на кольцо, образование неароматического σ-комплекса (карбкатиона).
Отщепление протона H⁺, восстановление ароматической системы.

Основные реакции: нитрование, галогенирование, сульфирование, алкилирование и ацилирование по Фриделю–Крафтсу.
Заместители I рода (орто/пара-ориентанты, активирующие): +I или +M эффект — -OH, -OCH₃, -NH₂, -CH₃, -C₂H₅.
Исключение: галогены (-F, -Cl, -Br, -I) — орто/пара-ориентанты, но дезактивирующие (-I эффект сильнее +M).
Заместители II рода (мета-ориентанты, дезактивирующие): -M и -I эффект — -NO₂, -CN, -COOH, -SO₃H, -CHO.

27) Реакции нуклеофильного замещения у sp³-гибридизованного атома углерода. Механизмы SN1 и SN2

Общая схема: R-Z + :Nu⁻ → R-Nu + :Z⁻.

SN1 (мономолекулярное нуклеофильное замещение):

Механизм: ионизация R-Z → R⁺ + Z⁻ (медленно), затем атака нуклеофила R⁺ + Nu⁻ → R-Nu.
Стереохимия: нестереоспецифичное, образуется рацемат.
Реакционная способность: третичный > вторичный > первичный (зависит от стабильности карбкатиона).
Условия: полярные протонные растворители.

SN2 (бимолекулярное нуклеофильное замещение):

Механизм: одновременная атака нуклеофила и отщепление уходящей группы (синхронно).
Стереохимия: стереоспецифичное, вальденовское обращение конфигурации.
Реакционная способность: первичный > вторичный > третичный (зависит от стерической доступности).
Условия: диполярные апротонные растворители.

28) Примеры реакций нуклеофильного замещения в биологических системах. S-аденозилметионин — переносчик метильных групп

S-Аденозилметионин (SAM): биологический «донор» метильной группы. Образуется из метионина и АТФ.
Суть: метильная группа SAM (связанная с S⁺) становится удобной для переноса. Нуклеофил (атом N, O) атакует метильную группу SAM; уходящей группой является S-аденозилгомоцистеин (SAH). Это классический пример алкилирования по механизму SN2.
Примеры: метилирование колamина (этаноламина) приводит к холину; метилирование норадреналина дает адреналин.

29) Примеры реакций нуклеофильного замещения в биологических системах — механизм действия ОВ-средств

ОВ-средства содержат сильные электрофильные группы (например, хлорметил), которые реагируют с нуклеофильными центрами в активном центре фермента (например, -SH цистеина, -OH серина), образуя ковалентную связь.
Это приводит к необратимому ингибированию фермента.

30) Реакции элиминирования: механизмы E1, E2, E1cB. Конкуренция с нуклеофильным замещением. Правила Зайцева и Гофмана

Элиминирование (E): отщепление малой молекулы (HZ) от субстрата с образованием кратной связи.
E1: подобен SN1. Ионизация → карбкатион → отщепление протона. Конкурирует с SN1.
E2: подобен SN2. Синхронный процесс: уходящая группа уходит, основание забирает протон. Конкурирует с SN2.
E1cB: отщепление протона от слабокислого субстрата с образованием стабильного карбаниона, затем отщепление уходящей группы.
Конкуренция SN/E: сильные основания (особенно стерически затрудненные) и высокая температура способствуют E2; сильные нуклеофилы при слабой основности способствуют SN2.
Правило Зайцева: при элиминировании образуется более замещенный (более стабильный) алкен.
Правило Гофмана: для объемных оснований образуется менее замещенный алкен.

31) Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе. Сравнение реакционной способности карбонильных соединений

Механизм (AdN): атака нуклеофила Nu⁻ на электрофильный атом C карбонильной группы; образование тетраэдрического интермедиата (алкоксид-анион), который затем протонируется.
Нуклеофилы: H₂O (гидраты), ROH (полуацетали, ацетали), NH₃ (имины), HCN (циангидрины); C-нуклеофилы — реактивы Гриньяра, еноляты.
Реакционная способность убывает: альдегиды > кетоны > сложные эфиры > амиды.
- Альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны (меньше стерических препятствий, более электрофильный карбонильный C).
- В сложных эфирах и амидах +M эффект гетероатома снижает электрофильность карбонильного C.

32) Кето-енольная таутомерия. Альдольная и кротоновая конденсация

Кето-енольная таутомерия: равновесие между карбонильным соединением (кето-форма) и непредельным спиртом (енол-форма). Катализируется кислотами и основаниями.
Еноляты: анионы, образующиеся при отщеплении протона от α-углеродного атома; являются C-нуклеофилами.
Альдольная конденсация: присоединение енолята к карбонильной группе другой молекулы; образуется β-гидроксикарбонильное соединение (альдоль).
Кротоновая конденсация: дегидратация альдоля с образованием α,β-ненасыщенного карбонильного соединения.

33) Участие пиридоксальфосфата в биосинтезе: трансаминирование и декарбоксилирование аминокислот

Пиридоксальфосфат (ПАЛФ): кофермент (производное витамина B6).
Роль: альдегидная группа ПАЛФ реагирует с аминогруппой аминокислоты, образуя основание Шиффа (имин). Далее происходят превращения (декарбоксилирование, трансаминирование); альдегидная группа регенерируется.
Трансаминирование: перенос аминогруппы с аминокислоты на α-кетокислоту с образованием новой аминокислоты и новой кетокислоты.
Декарбоксилирование: отщепление CO₂ от аминокислоты с образованием биогенного амина.

34) Карбоновые кислоты и их производные — сравнение реакционной способности

Реакционная способность в реакциях нуклеофильного присоединения-отщепления убывает:
Хлорангидриды > Ангидриды > Сложные эфиры > Амиды > Карбоксилаты (соли)
Причина: зависит от уходящей группы Z. Чем слабее основание Z⁻, тем лучше уходящая группа. Cl⁻ — слабое основание, отличная уходящая группа; NH₂⁻ — сильное основание, плохая уходящая группа.

35) Строение карбоксильной группы. Кислотность карбоновых кислот

Строение: карбоксильная группа -COOH содержит карбонильный C и гидроксил. Кислотность обусловлена стабилизацией карбоксилат-аниона RCOO⁻ за счет резонанса (делокализация отрицательного заряда между двумя атомами O).

Факторы, влияющие на кислотность:

Электронные эффекты заместителей: электроноакцепторные группы (-I, -M) увеличивают кислотность; электронодонорные (+I) — уменьшают.
Влияние среды: влияет на степень ионизации.
Гидратация ионов: в водном растворе стабилизирует ионы.

Сравнение: муравьиная кислота (HCOOH) сильнее уксусной (CH₃COOH). Сила кислоты возрастает с увеличением числа электроноакцепторных заместителей (например, трихлоруксусная кислота — очень сильная).

36) Переходы между производными карбоновых кислот

Все переходы основаны на реакциях нуклеофильного присоединения-отщепления.
Как правило, можно перейти от более реакционноспособного производного к менее реакционноспособному.

Примеры:

Кислота + SOCl₂/PCl₅ → хлорангидрид.
Кислота + спирт → сложный эфир (этерификация).
Хлорангидрид + спирт (или фенол) → сложный эфир.
Хлорангидрид + аммиак (или амин) → амид.
Сложный эфир + вода (OH⁻) → соль кислоты + спирт (гидролиз).
Соль кислоты + хлорангидрид → ангидрид.

37) Перенос ацетильных групп при помощи Ac-S-CoA в биологических системах

Ацетил-КоА (Ac-S-CoA): «активный ацетат», донор ацетильной группы CH₃CO⁻.
Механизм: ацетильная группа связана с атомом серы (тиоэфирная связь). Это делает карбонильный углерод очень электрофильным (тиоэфиры более реакционноспособны, чем сложные эфиры).

Синтез Ac-S-CoA:

Ацетат (CH₃COO⁻) активируется АТФ, образуя ацетиладенилат (смешанный ангидрид уксусной и аденозин-5'-фосфорной кислот).
Нуклеофильный атом S кофермента А (HS-CoA) атакует карбонильный C ацетиладенилата, вытесняя аденозин-5'-фосфат. Образуется Ac-S-CoA.

38) Синтез аминоацил-тРНК и построение полипептидной цепи при трансляции

Активация аминокислот: аминокислота реагирует с АТФ, образуя аминоацил-аденилат.
Синтез аминоацил-тРНК: нуклеофильная 3'-OH-группа тРНК атакует карбонильный C аминоацил-аденилата. Образуется сложноэфирная связь между аминокислотой и тРНК — активированная форма аминокислоты.
Построение полипептидной цепи: на рибосоме нуклеофильная NH₂-группа аминокислоты, связанной с тРНК (в A-сайте), атакует сложноэфирную связь между растущей пептидной цепью и тРНК (в P-сайте). Образуется новая пептидная связь, длина цепи увеличивается на один аминокислотный остаток.

39) Аминокислоты. Классификация. Оптическая изомерия. Протеиногенные АК

Строение: α-аминокислоты (аминогруппа у α-атома C, рядом с карбоксилом). Общая формула: R-CH(NH₂)-COOH.

Классификация (по R-группе):

Неполярные (гидрофобные): аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин, триптофан, метионин.
Полярные незаряженные: глицин, серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин.
Заряженные (полярные):
- отрицательно заряженные (кислые): аспарагиновая, глутаминовая;
- положительно заряженные (основные): лизин, аргинин, гистидин.

Оптическая изомерия: α-атом C (кроме глицина) хирален. Аминокислоты существуют в виде L- и D-энантиомеров. В белках встречаются только L-аминокислоты.
Протеиногенные АК: 20 стандартных аминокислот, закодированных в генетическом коде.

40) Методы синтеза рацемических аминокислот и методы расщепления рацематов

Синтез рацемата: галогенирование карбоновой кислоты по α-положению с последующим действием аммиака (NH₃). Получается смесь D- и L-изомеров.

Расщепление рацемата:

Ферментативное: использование ферментов, которые катализируют реакцию только с одним энантиомером (например, ацилазами).
Химическое: реакция рацемата с оптически активным реагентом. Образуются диастереомеры, которые имеют разные физические свойства и могут быть разделены.

41) Кислотно-основные свойства АК. Изоэлектрическая точка

Аминокислоты — амфотерные соединения. В водном растворе существуют в виде биполярных ионов (цвиттер-ионов): ⁺H₃N-CH(R)-COO⁻.
Изоэлектрическая точка (pI): значение pH, при котором суммарный заряд молекулы равен нулю и она не движется в электрическом поле.

Формулы для расчета pI (приблизительно): pI = ½ (pKₐ₁ + pKₐ₂), где pKₐ₁ и pKₐ₂ — значения pK ближайших к pI ионизируемых групп.

Для нейтральных АК: pI ≈ ½ (pK_COOH + pK_NH₃⁺).
Для кислых АК: pI ≈ ½ (pK_COOH + pK_R-COOH).
Для основных АК: pI ≈ ½ (pK_NH₃⁺ + pK_R-NH₃⁺).

42) Химические свойства АК

По NH₂-группе (ацилирование): образование амидов при реакции с хлорангидридами или ангидридами кислот.
Образование фенилтиогидантоинов (ФТГ): реакция α-аминокислоты с фенилизотиоцианатом (реактив Эдмана). Используется для определения N-концевой аминокислоты в полипептиде.
Образование сложных эфиров: реакция с метанолом в кислой среде дает метиловый эфир.
Образование смешанных ангидридов: реакция N-ацилированной аминокислоты с изобутилхлорформиатом; используется для активации карбоксильной группы в пептидном синтезе.

43) Основы химического синтеза полипептидной цепи

Защита NH₂-группы: вводят защитную группу (например, Boc или Fmoc), чтобы аминокислота не реагировала сама с собой.
Активация COOH-группы: карбоксильную группу превращают в сложный эфир или смешанный ангидрид.
Образование пептидной связи: активированная COOH-группа одной аминокислоты реагирует с NH₂-группой другой.
Удаление защитной группы: снимают защиту с NH₂-группы образовавшегося дипептида и повторяют цикл для наращивания цепи.

44) Пептиды. Белки. Пептидная связь. Уровни структуры белка

Пептидная связь: амидная связь, образованная между COOH-группой одной аминокислоты и NH₂-группой другой.

Уровни организации:

Первичная структура: последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Вторичная структура: упорядоченная укладка полипептидной цепи за счет водородных связей между атомами пептидного остова. Основные типы: α-спираль и β-складчатый слой.
Третичная структура: пространственная укладка всей полипептидной цепи (глобула). Стабилизируется водородными, ионными, гидрофобными взаимодействиями и дисульфидными мостиками.
Четвертичная структура: взаимное расположение нескольких полипептидных цепей (субъединиц) в составе одного белка (например, гемоглобин).

45) Методы установления первичной структуры белка

Определение аминокислотного состава: полный кислотный гидролиз белка на отдельные аминокислоты, разделение и количественное определение каждой АК (хроматография).
Определение последовательности (секвенирование):
- Метод Эдмана: взаимодействие N-концевой аминокислоты с фенилизотиоцианатом, отщепление ее в виде ФТГ-производного и идентификация. Цикл повторяется.
- Химическое расщепление: обработка белков специфическими реагентами (например, бромцианом расщепляет по метионину).
- Ферментативное расщепление: использование протеаз (трипсин, химотрипсин) для получения более мелких фрагментов.

После получения фрагментов их секвенируют и определяют порядок в цепи.

46) Пептиды. Белки. Функции. Ферментативная функция белков

Функции белков: структурная (коллаген, кератин), ферментативная, транспортная (гемоглобин), защитная (антитела), регуляторная (гормоны), двигательная (актин, миозин), сигнальная (рецепторы), запасная.
Ферментативная функция: белки-ферменты катализируют химические реакции в организме, ускоряя их в миллионы раз. Каталитическая активность определяется активным центром, который специфически связывает субстрат.

47) Синтез полипептидной цепи с использованием техники защитных групп (на примере дипептида)

См. пункт 43. На примере дипептида: защита NH₂ одной аминокислоты, активация COOH другой, образование пептидной связи, снятие защиты.

48) Углеводы. Классификация. Функции

Классификация:

Моносахариды: не гидролизуются (глюкоза, фруктоза).
- По числу C: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы.
- По функции: альдозы (с -CHO) и кетозы (с >C=O).
Олигосахариды: 2–10 моносахаридных остатков (сахароза, мальтоза).
Полисахариды: >10 остатков (крахмал, целлюлоза, гликоген).

Функции: энергетическая (глюкоза, гликоген, крахмал), структурная (целлюлоза, хитин, протеогликаны), запасная, компоненты нуклеиновых кислот (рибоза, дезоксирибоза).

49) Строение моносахаридов. Оптическая изомерия. Проекции Фишера

Строение: моносахариды — полигидроксиальдегиды или полигидроксикетоны.
Оптическая изомерия: почти все моносахариды хиральны. Число изомеров = 2ⁿ, где n — число хиральных центров.
Энантиомеры: зеркальные отражения (например, D- и L-глюкоза).
Диастереомеры: не зеркальны (например, D-глюкоза и D-манноза).
Эпимеры: диастереомеры, отличающиеся конфигурацией только одного хирального центра (D-глюкоза и D-манноза отличаются по C2; D-глюкоза и D-галактоза — по C4).
Проекции Фишера: вертикальные связи направлены «за плоскость», горизонтальные — «перед плоскостью» (к наблюдателю).

50) Цикло-оксо таутомерия. Проекции Хеуорса. Аномеры. Полуацетальный гидроксил (на примере D-глюкозы)

Цикло-оксо таутомерия: обратимый переход между открытой (оксо) и циклической (полуацетальной) формами.
Циклизация: гидроксильная группа (обычно у C5) атакует карбонильную группу (у C1).
Проекции Хеуорса: заместители, которые в проекции Фишера были справа, в формуле Хеуорса пишутся внизу; слева — вверху.
Аномеры: диастереомеры, отличающиеся конфигурацией полуацетального атома (C1 для альдоз, C2 для кетоз): α- и β-аномеры.
Полуацетальный гидроксил: -OH группа у аномерного атома углерода; более реакционноспособна, чем другие -OH группы.

51) Мутаротация. Химическая природа (на примере D-глюкозы)

Мутаротация: изменение во времени угла вращения плоскости поляризованного света свежеприготовленного раствора сахара.
Природа: в растворе устанавливается равновесие между α-аномером, β-аномером и открытой формой через цикло-оксо таутомерию. Для D-глюкозы: [α] α-аномера = +112°, β-аномера = +19°; равновесная смесь дает [α] ≈ +52.5°.

52) Химические свойства моносахаридов. Гликозиды

Полуацетальный гидроксил отличается высокой реакционной способностью:
- окисляется (реакции с Ag(NH₃)₂OH и Cu(OH)₂);
- образует гликозиды (реакция со спиртами в кислой среде).
Остальные -OH группы: образуют простые и сложные эфиры (ацилирование, алкилирование).
Гликозиды: продукты замещения полуацетального гидроксила на OR, SR, NR₂. Не являются восстанавливающими сахарами.

53) Восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. Строение. Функции

Восстанавливающие: один из мономеров имеет свободный полуацетальный гидроксил.
- Мальтоза: α-глюкозил-(1→4)-глюкоза. Продукт гидролиза крахмала.
- Целлобиоза: β-глюкозил-(1→4)-глюкоза. Продукт гидролиза целлюлозы.
- Лактоза: β-галактозил-(1→4)-глюкоза. Молочный сахар.
Невосстанавливающие: оба полуацетальных гидроксила участвуют в образовании связи.
- Сахароза: α-глюкозил-(1→2)-β-фруктоза. Тростниковый сахар.

54) Гомополисахариды с α-гликозидной связью (амилоза, амилопектин, гликоген, декстраны)

Крахмал (смесь амилозы и амилопектина): запасной углевод растений.
- Амилоза: линейный полимер с α(1→4) связями, спиралевидная структура. Дает синее окрашивание с йодом.
- Амилопектин: разветвленный полимер; связи α(1→4) и в точках ветвления α(1→6).
Гликоген: запасной углевод животных и грибов; структура похожа на амилопектин, но более разветвлена.
Декстран: бактериальный полисахарид с преимущественно α(1→6) связями; используется как заменитель плазмы крови.

55) Гомополисахариды с β-гликозидной связью (целлюлоза, хитин)

Целлюлоза: линейный полимер из β-D-глюкозы, связанной β(1→4) связями. Структурный компонент клеточной стенки растений; высокая прочность; не переваривается человеком.
Хитин: линейный полимер из N-ацетил-β-D-глюкозамина, связанных β(1→4) связями. Структурный компонент экзоскелета членистоногих и клеточной стенки грибов.

56) Гетерополисахариды: протеогликаны — строение и функции

Строение: длинные линейные цепи гетерополисахарида, ковалентно связанные с небольшим количеством белка (через серин). В основе цепей — повторяющиеся дисахаридные единицы из уроновых кислот и аминосахаров.
Примеры: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, гепарин.
Функции: структурные и смазочные компоненты соединительной ткани (хрящи, суставы, кожа).

57) Гетерополисахариды: пептидогликаны — строение и функции

Строение: полисахаридные цепи (муреин), сшитые короткими пептидными мостиками; жесткая сетчатая структура.
Основной компонент: мурамин (N-ацетилмурамовая кислота) и N-ацетилглюкозамин.
Функция: основной структурный компонент клеточной стенки бактерий, обеспечивающий их механическую прочность и защиту.

58) Радикальная полимеризация в основе стоматологических материалов

Используется для получения твердых полимеров из мономеров с двойной связью (например, метилметакрилат).
Стадии: инициация (образование радикалов из инициатора), рост цепи (присоединение мономеров к активному центру), обрыв цепи (рекомбинация).
Применение: пластмассы для зубных протезов, пломбировочные материалы (композиты) на основе акриловых смол.

59) Анионная поликонденсация — основа синтеза эпоксидных смол

Механизм: нуклеофильная атака OH-группы бисфенола А на эпоксидную группу эпихлоргидрина (атака по наименее замещенному атому C эпоксидного цикла). Образуется олигомерная эпоксидная смола (диановая смола).
Для отверждения (получения трехмерной сетки) используют полиамины, которые выступают как нуклеофилы, раскрывая эпоксидные кольца и сшивая полимерные цепи.

60) Полимерные материалы и композиты на основе производных акриловой кислоты. Холодное и горячее отверждение

Мономеры: производные акриловой (CH₂=CH-COOH) и метакриловой (CH₂=C(CH₃)-COOH) кислот, например метилметакрилат.
Отверждение — процесс полимеризации мономеров:
- Горячее отверждение: термическая полимеризация (нагрев) с инициаторами (например, пероксидами).
- Холодное отверждение: химическая полимеризация при комнатной температуре с системой «инициатор + активатор» (например, перекись бензоила + третичный амин).

61) Состав жидкости и порошка композитных материалов. Процессы при смешивании

Жидкость: содержит мономер (например, bis-GMA, TEGDMA) и инициатор (например, камфорхинон) или активатор.
Порошок: неорганический наполнитель (силикаты, стекло, диоксид кремния), обеспечивающий прочность, и иногда катализатор.
Процесс при смешивании: начинается радикальная полимеризация мономеров вокруг частиц наполнителя; происходит отверждение (затвердевание) композитной массы и формирование прочного пломбировочного материала.

Entradas relacionadas:

Etiquetas: