Химия биомолекул и наносистем Лекция 1 2012

Химия биомолекул и наносистем Лекция 1 2012 § Биологически важные окислительно-восстановительные реакции органических соединений Лекцию читает профессор кафедры химии лечебного факультета Белавин Иван Юрьевич 1

q Окисление процесс потери электронов, для органических субстратов обычно сопровождается удалением атомов водорода с образованием кратной связи или новой связи между атомом углерода и гетероатомом, более электроотрицательным, чем водород, например, атомами O, N, S и т. д. Восстановление процесс, обратный окислению, сопровождается образованием новых связей с водородом

Перенос электронов в реакциях неорганических соединений Перенос электронов в реакциях органических соединений q Степень окисления заряд, которым обладал бы атом элемента в химическом соединении, если электроны в каждой связи этого атома сместить к более электроотрицательному атому.

Степень окисления атома углерода

Кислород – главный окислитель в живом организме

молекула кислорода – бирадикал (супероксид анион-радикал) (гидропероксид анион) (пероксид водорода) активные формы кислорода (АФК)

Активные формы кислорода при их избыточном продуцировании могут являться причиной оксидативного стресса, связанного с повреждениями липидов клеточных мембран, белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот. Оксидативный стресс может также развиваться под действием ряда ксенобиотиков: гипохлорная кислота HOCl, оксиды азота, галогенопроизводные углеводородов. продукты распада пероксидного радикала окисли- восстанотель витель катион-радикал

Окислительно-восстановительная система ФАД – ФАДН 2 ФАД флавинадениндинуклеотид окислитель ФАДН 2 восстановленная форма ФАД восстановитель

Примеры биохимических реакций с участием системы ФАД – ФАДН 2 • Дегидрирование карбоновых кислот • Гидрирование α, β-ненасыщенных кислот • Окисление первичных аминов до иминов

Окислительно-восстановительная система НАД+ – НАДН (НАДф+ – НАДф. Н) гидрид-ион НАД+ никотинамидадениндинуклеотид НАДФ+ НАДН Восстановленная форма НАДФН никотинамидадениндинуклеотидфосфат Восстановленная форма НАДФ окислители восстановители

Примеры биохимических реакций с участием системы НАД+ – НАДН • окисление спиртов до альдегидов и кетонов • окисление альдегидов до карбоновых кислот • окисление первичных аминов до иминов

• восстановление альдегидов и кетонов до спиртов • восстановление иминов до аминов

Окислительно-восстановительная система дисульфид – тиол дисульфид тиол окислитель восстановитель Примеры биохимических реакций с участием системы дисульфид – тиол • восстановление гидропероксидов до спиртов глутатион • образование и разрыв дисульфидных мостиков в молекулах белков глутатион

• Окисление промежуточного продукта в реакции декарбоксилирования α-кетокислот (“активированных альдегидов”) с образованием ацилкофермента А Амид липоевой кислоты Ф – фермент ацилкофермент А Амид дигидролипоевой кислоты

Другие реакции окисления серасодержащих соединений тиол сульфеновая кислота сульфид диметилсульфоксид (димексид, ДМСО) сульфоксид сульфиновая кислота сульфон жаропонижающее, противовоспалительное действие. высокая проницаемость через кожу сульфоновая кислота

Окислительно-восстановительная система хинон – гидрохинон Хинон (пара-хинон) окислитель гидрохинон восстановитель Убихиноны – переносчики электронов в дыхательной цепи катехол пирокатехин орто-хинон

Реакции окисления с участием молекулярного кислорода • реакции пероксидного окисления гидропероксид • реакция эпоксидирования эпоксид Эпоксид бензантрацена бензантрацен канцерогенез

• Реакции гидроксилирования (введения ОН-группы • вместо водорода) а) алифатическое (у sp 3 -гибридизованного атома углерода) Биосинтез стероидных гормонов холестерин Холестен-5 -тетраол-3, 7, 12, 26 Гидроксилирование фрагментов аминокислот в белке - коллагене

б) ароматическое гидроксилирование (введение ОН-группы в ароматическое кольцо) эпоксид σ-комплекс Согласуется с правилами ориентации при электрофильном замещении в ароматическом кольце.

Лекция 2 2012 § Биологически важные поли- и гетерофункциональные соединения Полифункциональные соединения – вещества, в молекулах которых имеется несколько одинаковых функциональных групп. Гетерофункциональные соединения – вещества, в молекулах которых имеются различные функциональные группы. 22

Низкомолекулярные биорегуляторы гормоны нейромедиаторы витамины коферменты Метаболиты соединения, образующиеся в результате распада сложных веществ соединения, возникающие в процессах биосинтеза Ксенобиотики лекарственные препараты вещества, загрязняющие Яды, наркотики окружающую среду

Биологически наиболее важные функциональные группы амино- гидрокси- двойная связь карбоксильная тио(меркапто-) карбонильная (альдегидная или кетонная) сульфо- фосфорильная

Соединения с несколькими гидроксильными группами Многоатомные спирты: глиоксиловая кислота этиленгликоль этандиол-1, 2 Токсичная высококипящая жидкость; щавелевая кислота (каменная почка) антифриз Нетоксичная вязкая жидкость сладкого вкуса; входит в состав многих омыляемых липидов; применяется как компонент мазей для смягчения кожи. глицерин пропантриол-1, 2, 3

ксилит, сорбит, маннит – продукты восстановления моносахаридов, ксилит и сорбит применяются как заменители сахара при диабете; маннит как диуретическое средство. Витаминоподобное вещество; структурный компонент сложных липидов. Инозиты мезоинозит (миоинозит) инозит-1, 4, 5 -трифосфат индуцирует высвобождение внутриклеточного кальция

Двухатомные фенолы: препятствует образованию меламина. Гидрохинон (п-дигидроксибензол) – восстановитель. Фрагмент кофермента Q – участника процесса транспорта электронов от окисляемого субстрата к кислороду в дыхательной цепи. Резорцин (м-дигидроксибензол) – обладает используется для сведения бородавок анти-септическим действием, применяется при экземе, себорее, конъюктивитах Пирокатехин (о-дигидроксибензол, катехол) – структурный фрагмент многих БАВ, в частности, катехоламинов

Соединения с несколькими аминогруппами Токсичен, раздражает кожу и слизистые, поражает печень этилендиамин Гниение белков кадаверин пентаметилендиамин путресцин тетраметилениамин спермидин спермин Спермидин и спермин – полиамины, участвующие в метаболических процессах, связанных, в частности, с процессами роста клеток. В условиях организма связываются с ДНК и РНК.

Аминоспирты коламин 2 -аминоэтанол SAM компонент липидов клеточных мембран холинэстераза ацетилхолин - нейромедиатор Ингибиторы ацетилхолинэстеразы

Антигистаминный препарат Эфедрин - стимулятор ЦНС, применялся при бронхиальной астме. Запрещен к применению – наркотик Действие эфедрона

Аминофенолы 5 часов п-аминофенол фенацетин парацетамол Время полувыведения 2 часа Фенацетиновый нефрит Анальгетическое и жаропонижающее действие

норадреналин Гормон (“гормон страха”), нейромеди. Гормон, нейромедиатор. Повышает тонус периферических сосудов, стимулирует работу сердца повышает артериальное давление

Аминокислоты глицин Входит в состав белков. Регулятор обмена веществ, повышает умственную работоспособность. β-аланин Входит в состав белков , источник энергии, регулирует уровень глюкозы в крови. D-аланин β-аланин входит в структуру кофермента А и ряда биологически активных пептидов. βаланин увеличивает физическую мощность, снижая порог мышечного утомления. L-аланин

γ-аминомасляная кислота ГАМК Медиатор торможения центральной нервной системы. Оказывает благоприятное влияние на обучение и память. ε -аминокапроновая кислота Антигеморрагичекое средство. Оказывает кровоостанавливающее действие при кровотечениях.

пара-аминобензойная кислота ПАБК Витамин (В 10). Для микроорганизмов, необходим для синтеза фолиевой кислоты – их ростового фактора. Активизирует всю кишечную флору. анестезин Местный анестетик. Плохо растворим в воде. новокаин Местный анестетик. Хорошо растворим в воде. Применяется внутримышечно.

гидроксиаминокислоты пара-аминосалициловая кислота ПАСК Противотурберкулезный препарат Конкурирует с ПАБК и подавляет синтез фолиевой кислоты в микобактериях туберкулеза. БЕПАСК Препарат пролонгированного действия. За счет медленного гидролиза создается постоянная концентрация ПАСК в пораженных органах

Аминотиолы 2 -аминоэтантиол (цистамин) Кофермент А Радиопротектор. Повышает устойчивость организма к воздействию ионизирующей радиации. CH 3 COSCH 2 NHацетилкофермент А

Гидроксикарбонильные соединения (гидроксиальдегиды и гидроксикетоны) гликолевый альдегид глицериновый альдегид Промежуточный продукт окисления этиленгликоля в организме, токсичен дигидроксиацетон Важные метаболиты – продукты распада глюкозы при гликолизе, исходные соединения при биосинтезе моносахаридов Моносахариды относятся к этим же классам соединений

Гидроксикислоты молочная кислота, β-гидроксимасляная соли - лактаты кислота Образуется при анаэроб. Промежуточный ном распаде глюкозы продукт расщепления при повышенных жирных кислот. мышечных нагрузках. Анализ мочи на кетонные тела Крепатура – боль в мышцах γ-гидроксимасляная кислота (ГОМК) Гипнотик – вызывает глубокий сон. Применяется для наркоза. Привыкание. Частое употребление приводит к сильным отравлениям вплоть до смертельных

яблочная кислота, соли - малаты лимонная кислота, соли - цитраты Участники цикла Креббса, в котором происходит окисление уксусной кислоты до СО 2 и Н 2 О, широко применяются в пищевой промышленности как подкислители и консерванты.

салициловая кислота метилсалицилат Обладает анальгезирую антисептическим, щим и противовоспалиместнораздражаю- тельным действием. щим и ранозаживляющим действием. ацетилсалициловая кислота аспирин анальгезирующее, жаропонижающее, противовоспалительное, антиагрегационое средство.

Ненасыщенные карбоновые кислоты акриловая раздражает слизистую оболочку глаз кротоновая транс-изомер промежуточный продукт биосинтеза и окисления жирных кислот в организме, фумаровая Участник цикла Креббса. Обладает бактерицидными и антисептическими свойствами.

Альдегидо и кетонокислоты глиоксиловая Очень токсична. Угнетает тканевое дыхание. У ряда микроорганизмов важный метаболит пировиноградная соли - пируваты ацетоуксусная соли - ацетоацетаты Пировиноградная кислота объединяет несколько ключевых метаболических процессов клетки и является универальной «метаболической валютой» живой клетки Промежуточный продукт обмена жирных кислот и аминокислот. Анализ на кетонные тела.

щавелевоуксусная соли - оксалоацетаты щавелевоянтарная соли - оксалосукцинаты Обе кислоты – участники цикла Кребса, щавелевоянтарная кислота также является связующим звеном между метаболизмом углеводов и аминокислот.

Двухосновные карбоновые кислоты щавелевая соли - оксалаты малоновая важный промежуточны й продукт в биосинтезе жирных к-т, янтарная соли- сукцинаты Участник цикла Креббса антиоксидант, снимает болевые ощущения в натруженных мышцах, очень полезна для людей пожилого возраста В организме образуется из глицина. Оксалаты образуюти камни в почках и мочевом пузыре Промежуточное соединение глутаровая метаболизма лизина. Появление в моче – признак ряда заболеваний.

Аминосульфокислоты таурин Участвует в синтезе многих аминокислот и энергетическом обмене в мышечных тканях, входит в состав парных желчных кислот, способствующих эмульгированию жиров в кишечнике, кислот. Снимает стресс и мышечное напряжение. Снижает аппетит. Не дает задерживаться жидкости в организме.

парааминобензолсульфокислота сульфаниловая кислота сульфаниламид стрептоцид Противомикробное бактериостатическое средство. общая формула сульфаниламидных препаратов Механизм действия связан со сходством с пара-аминобензойной ктой

уросульфан инфекции мочевых путей сульфацил-натрий инфекционные заболевания глаз

Угольная кислота (Н 2 СО 3) и ее производные Двухосновная кислота. Может образовывать функциональные производные по двум гидрокси-группам. Производные по одной гидрокси-группе неустойчивы, как и сама кислота. карбаминовая кислота угольная кислота хлоругольная кислота

Производные угольной кислоты по двум гидрокси-группам устойчивы уреиды кислот Введение фрагмента мочевины повышает проходимость препарата через почки. диамид угольной кислоты или мочевина Конечный продукт распада белков, образуется в печени, выводится почками бромизовал или бромурал Оказывает успокаивающее и умеренное снотворное действие.

эфиры карбаминовой кислоты или уретаны Воздействуют на центральную нервную систему. Этиловый эфир карбаминовой кислоты (уретан) применялся для неингаляционного наркоза. мепробамат (мепротан) Транквилизатор, оказывает успокаивающее действие на центральную нервную систему, снимает эмоциональную напряженность, тревогу.

гуанидин или иминомочевина сильное основание креатинфосфат Участвует в энергетичес- Макроэргическое соединение ΔGгидр. = 40, 3 ком обмене в мышечных кдж/моль. Поддержание постоянной и нервных клетках. концентрацию АТФ в мышцах и др. тканях