Календарно-тематический план

Календарно-тематический план занятий

по дисциплине «Биоорганическая химия и ее

медицинские аспекты»

(2014/15)

Темы и содержание практических занятий	Темы лекций
Раздел 1. Введение
Занятие 1 (1-6 сентября 2014 г.) Выделение, очистка и идентификация органических соединений Техника безопасности при работе в химической лаборатории. Физико-химические методы выделения и исследования органических соединений, имеющие значение для медицинского анализа (экстракция, хроматография, поляриметрия, инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия, масс-спектрометрия, ядерный магнитный резонанс). Лабораторная работа 1. Идентификация α-аминокислот методом БХ (демонстрац.).	Лекция 1 Введение в биоорганическую химию. Классификация, изомерия органических соединений. Пространственное строение органических соединений
Раздел 2. Биологически важные классы органических соединений
Занятие 2 (8-13 сентября 2014 г.) Классификация и номенклатура органических соединений. Пространственное строение и стереоизомерия Классификационные признаки органических соединений: строение углеродного скелета и природа функциональной группы. Функциональные группы, органические радикалы. Биологически важные классы органических соединений: спирты, фенолы, тиолы, амины, эфиры, сульфиды, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их производные. Основные правила систематической номенклатуры ИЮПАК для органических соединений; заместительная и радикально-функциональная номенклатура. Пространственное строение органических соединений. Проблема взаимосвязи стереохимического строения с проявлением биологической активности. Важнейшие понятия стереохимии – конформация и конфигурация. Конформация открытых цепей. Вращение вокруг одинарной связи как причина возникновения различных конформаций. Проекционные формулы Ньюмена. Энергетическая характеристика конформационных состояний; заслоненные, заторможенные, скошенные конформации. Пространственное сближение определенных участков цепи как одна из причин преимущественного образования пяти- и шестичленных циклов. Конформации (кресло, ванна) циклических соединений (циклогексан, тетрагидропиран). Аксиальные и экваториальные связи. Конфигурация. Проекционные формулы Фишера. Стереохимическая номенклатура: R, S- и D, L-системы. Глицериновый альдегид как конфигурационный стандарт. Оптическая активность. Хиральные и ахиральные молекулы. Стереоизомеры: энантиомеры и s-диастереоизомеры. Мезоформы. Рацематы. p-Диастереоизомеры (цис- и транс-изомеры). Е, Z- система стереохимической номенклатуры. Занятие 3 (15-20 сентября 2014 г.) Сопряженные системы и электронные эффекты. Кислотные и основные свойства Взаимное влияние атомов и способы его передачи в молекулах органических соединений. Сопряжение как один из важнейших факторов повышения устойчивости молекул и ионов биологически важных соединений. Виды сопряжения: p, p- и р, p-сопряжение. Сопряженные системы с открытой цепью: 1,3-диены (1,3-бутадиен), полиены (b-каротин, ретиналь и др.), a, b-ненасыщенные карбонильные соединения, карбоксильная группа. Сопряженные системы с замкнутой цепью. Ароматичность; критерии ароматичности. Ароматичность бензоидных (бензол, нафталин) и гетероциклических (фуран, тиофен, пиррол, пиразол, имидазол, пиридин, пиримидин, пурин) соединений. Поляризация связей и электронные эффекты (индуктивный и мезомерный). Электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Кислотность и основность органических соединений. Теории Бренстеда и Льюиса. Общие закономерности в изменении кислотных и основных свойств во взаимосвязи с природой атома в кислотном и основном центрах, электронными эффектами заместителей в этих центрах и сольватационными эффектами. Кислотные свойства органических соединений с водородсодержащими функциональными группами (спирты, тиолы, карбоновые кислоты). Основные свойства нейтральных молекул, содержащих гетероатом с неподеленной парой электронов (спирты, простые эфиры, карбонильные соединения, амины) и анионов (гидроксид-, алкоксид-, енолят-, ацилат-ионы). Кислотно-основные свойства азотсодержащих гетероциклов (пиррол, имидазол, пиридин). Водородная связь как специфическое проявление кислотно-основных свойств. Значение водородных связей в формировании надмолекулярных структур в живых организмах. Лабораторная работа 2. Получение этиленгликолята меди (II). Контрольная работа 1. Классификация и номенклатура органических соединений. Пространственное строение и стереоизомерия. Занятие 4 (22-27 сентября 2014 г.) Классификация органических реакций. Радикальное замещение у насыщенного атома углерода Общие закономерности реакционной способности органических соединений как химическая основа их биологического функционирования. Классификация органических реакций по результату (замещение, присоединение, элиминирование, перегруппировки, окислительно-восстановительные) и по механизму – радикальные, ионные (электрофильные, нуклеофильные). Понятия – субстрат, реагент, реакционный центр. Типы разрыва ковалентной связи в органических соединениях и образующиеся при этом частицы: свободные радикалы (гомолитический разрыв), карбокатионы и карбанионы (гетеролитический разрыв). Электронное и пространственное строение этих частиц и факторы, обуславливающие их относительную устойчивость. Реакции свободно-радикального замещения: гомолитические реакции с участием С-Н связей sp^3-гибридизованного атома углерода. Галогенирование. Региоселективность свободнорадикального замещения в аллильных и бензильных системах. Взаимодействие органических соединений с кислородом как химическая основа пероксидного окисления липидсодержащих систем. Ингибирование пероксидного окисления с помощью антиоксидантов (фенолы, a-токоферол). Лабораторная работа 3. Обнаружение пероксидов в диэтиловом эфире. Занятие 5 (29 сентября-4 октября 2014 г.) Электрофильное присоединение к ненасыщенным соединениям. Электрофильное замещение в ароматических соединениях Реакции электрофильного присоединения: гетеролитические реакции с участием p-связи. Механизм реакции гидрогалогенирования и гидратации. Кислотный катализ. Влияние статического и динамического факторов на региоселективность реакций, правило Марковникова. Особенности электрофильного присоединения к сопряженным системам (1,3-диенам, a, b-ненасыщенным альдегидам, карбоновым кислотам). Лабораторная работа 4. Опыты: бромирование ненасыщенных соединений. Реакции электрофильного замещения: гетеролитические реакции с участием ароматической системы. Механизм реакций галогенирования и алкилирования ароматических соединений. Роль катализаторов в образовании электрофильной частицы (кислоты Льюиса; кислотный катализ в алкилировании алкенами и спиртами). Влияние заместителей в ароматическом ядре и гетероатомов в гетероциклических соединениях на реакционную способность в реакциях электрофильного замещения. Ориентирующее влияние заместителей и гетероатомов. Лабораторная работа 5. Опыт: бромирование анилина. Занятие 6 (6-11 октября 2014 г.) Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода. Реакции элиминирования Реакции нуклеофильного замещения у sp^3-гибриди-зованного атома углерода: гетеролитические реакции, обусловленные поляризацией s-связи углерод-гетероатом (галогенопроизводные, спирты). Влияние электронных, пространственных факторов и стабильности уходящих групп на реакционную способность соединений в реакциях нуклеофильного замещения. Стереохимия реакций нуклеофильного замещения. Реакция гидролиза галогенопроизводных. Реакции алкилирования спиртов, фенолов, тиолов, сульфидов, аммиака и аминов. Роль кислотного катализа в нуклеофильном замещении гидроксильной группы. Дезаминирование соединений с первичной аминогруппой. Биологическая роль реакций алкилирования. Реакции элиминирования (дегидрогалогенирование, дегидратация). Повышенная СН-кислотность как причина реакций элиминирования. Лабораторная работа 6. Опыты: получение этилхлорида, дегидратация этанола. Занятие 7 (13-18 октября 2014 г.) Нуклеофильное присоединение в альдегидах и кетонах Реакции нуклеофильного присоединения: гетеролитические реакции с участием p-связи углерод-кислород (альдегиды, кетоны). Реакции карбонильных соединений с водой, спиртами, тиолами, аминами и их производными. Влияние электронных и пространственных факторов, роль кислотного катализа. Обратимость реакций нуклеофильного присоединения. Гидролиз ацеталей. Образование и гидролиз иминов как химическая основа пиридоксалевого катализа. Реакции альдольного присоединения. Основный катализ. Строение енолят-ионов. Наличие a-СН-кислотного центра в молекулах карбонилсодержащих соединений как причина образования связи С-С в реакциях in vivo. Альдольное расщепление как реакция обратная альдольному присоединению. Биологическое значение этих процессов. Лабораторная работа 7. Опыты: открытие ацетона путем перевода его в йодоформ, окисление формальдегида гидроксидом диамминсеребра, окисление формальдегида гидроксидом меди (II), окислительно-восстановительные реакции формальдегида. Занятие 8 (20-25 октября 2014 г.) Нуклеофильное замещение в карбоновых кислотах и их функциональных производных Реакции нуклеофильного замещения у sp^2-гибриди-зованного атома углерода (карбоновые кислоты и их функциональные производные). Реакции ацилирования – образование ангидридов, сложных эфиров, сложных тиоэфиров, амидов – и обратные им реакции гидролиза. Роль кислотного и основного катализа. Ацилирующие реагенты (ангидриды, карбоновые кислоты, сложные эфиры, сложные тиоэфиры), сравнительная активность этих реагентов. Ацилфосфаты и ацилкофермент А - природные макроэргические ацилирующие реагенты. Биологическая роль реакций ацилирования. Реакции по типу альдольного присоединения с участием кофермента А как путь образования углерод-углеродной связи. Лабораторная работа 8. Опыты: образование нерастворимых кальциевых солей высших жирных кислот, открытие щавелевой кислоты в виде кальциевой соли, декарбоксилирование щавелевой кислоты. Занятие 9 (27 октября-1 ноября 2014 г.) Реакции окисления и восстановления органических соединений Реакции окисления и восстановления органических соединений. Реакции окисления спиртов, тиолов, сульфидов, карбонильных соединений, аминов. Реакции восстановления карбонильных соединений, дисульфидов, иминов. Понятие о переносе гидрид-иона и химизме действия системы НАД^+ - НАДН. Понятие об электронном переносе и химизме действия системы ФАД – ФАДН2. Окисление p-связи и ароматических фрагментов (эпоксидирование, гидроксилирование). Лабораторная работа 9. Опыты: окисление олеиновой кислоты перманганатом калия, окисление боковых цепей гомологов бензола, окисление этанола дихроматом калия. Контрольная работа 2. Общие закономерности реакционной способности органических соединений как химическая основа их биологического функционирования. Занятие 10 (3-8 ноября 2014 г.) Поли- и гетерофункциональные соединения, участвующие в процессах жизнедеятельности Поли- и гетерофункциональность как один из характерных признаков органических соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности и являющихся родоначальниками важнейших групп лекарственных средств. Особенности проявления кислотно-основных свойств (амфолиты). Циклизация и хелатообразование. Особенности во взаимном влиянии функциональных групп в зависимости от их относительного расположения. Многоатомные спирты: этиленгликоль, глицерин, инозит. Образование хелатных комплексов с участием a-диольных фрагментов. Хелатирование как способ сохранения стабильного валентного состояния биогенных металлов и выведения ионов тяжелых металлов из организма. Двухатомные фенолы: гидрохинон, резорцин, пирокатехин, Окисление двухатомных фенолов. Система гидрохинон-хинон как химическая основа действия убихинонов в окислительно-восстанови-тельных процессах. Фенолы как антиоксиданты (ловушки свободных радикалов). Двухосновные карбоновые кислоты: щавелевая, малоновая, янтарная, глутаровая, фумаровая. Превращение янтарной кислоты в фумаровую как пример биологической реакции дегидрирования. Угольная кислота и ее производные (уретаны, уреиды кислот, мочевина). Гуанидин. Карбамоилфосфат. Аминоспирты: аминоэтанол (коламин), холин, ацетилхолин. Аминофенолы: дофамин, норадреналин, адреналин. Понятие о биологической роли этих соединений и их производных. Гидрокси- и аминокислоты. Реакции циклизации. Лактоны. Лактамы. Гидролиз лактонов и лактамов. Реакции элиминирования b-гидрокси и b-аминокислот. Одноосновные (молочная, b- и g-гидроксимасляные), двухосновные (яблочная, винные), трехосновные (лимонная) гидроксикислоты. Образование лимонной кислоты в результате альдольного присоединения. Представление о строении b-лактамных антибиотиков. Альдегидо- и кетонокислоты: глиоксиловая, пировиноградная (фосфоенолпируват), ацетоуксусная, щавелевоуксусная, a-оксоглутаровая. Реакции декарбоскилирования b-кетонокислот и окислительного декарбоксилирования a-кетонокислот. Кето-енольная таутомерия. Гетерофункциональные производные бензольного ряда как лекарственные средства. Салициловая кислота и ее производные (ацетилсалициловая кислота, фенилсалицилат). п-Аминобензойная кислота и ее производные (анестезин,новокаин). Биологическая роль п-амино-бензойной кислоты. Сульфаниловая кислота и ее амид (стрептоцид). Сульфаниламидные препараты. Лабораторная работа 10. Опыты: доказательство наличия двух карбоксильных групп в винной кислоте, комплексообразующие свойства винной кислоты, разложение лимонной кислоты, цветные реакции салициловой кислоты и ее эфиров, взаимодействие новокаина с основаниями. Занятие 11 (10-15 ноября 2014 г.) Биологически важные гетероциклические соединения Биологически важные гетероциклические системы. Гетероциклы с одним гетероатомом. Пиррол, индол, пиридин, хинолин. Понятие о строении тетрапиррольных соединений (порфин, гем). Биологически важные производные пиридина – никотинамид, пиридоксаль, производные изоникотиновой кислоты. Производные 8-гидроксихинолина – антибактериальные средства комплексообразующего действия. Гетероциклы с несколькими гетероатомами. Пиразол, имидазол, тиазол, пиразин, пиримидин, пурин. Таутомерия на примере имидазола. Пиразолон-5 – структурная основа ненаркотических анальгетиков (анальгин). Барбитуровая кислота и ее производные. Гидроксипурины (гипоксантин, ксантин, мочевая кислота). Лактим-лактамная таутомерия. Биотин. Тиамин. Понятие о строении и биологической роли. Алкалоиды. Метилированные ксантины (теобромин, теофиллин, кофеин). Представление о строении никотина, морфина, хинина, атропина. Лабораторная работа 11. Опыты: цветные реакции антипирина и амидопирина, получение солей мочевой кислоты, доказательство пуриновой структуры в мочевой кислоте.	Лекция 2 Взаимное влияние атомов и способы его передачи в молекулах органических соединений. Кислотность и основность органических соединений Лекция 3 Классификация органических реакций. Реакции свободнорадикального замещения. Реакции электрофильного присоединения. Реакции электрфильного замещения Лекция 4 Реакции нуклеофильного замещения у sp^3- гибридизованного атома углерода. Реакции элиминирования. Реакции нуклеофильного присоединения с участием карбонильной группы Лекция 5 Реакции нуклеофильного замещения у sp^2-гибридизованного атома углерода (карбоновые кислоты и их функциональные производные) Лекция 6 Полифункциональ-ные органические соединения, участвующие в процессах жизнедеятель-ности. Гетерофункциональные органические соединения, участвующие в процессах жизнедеятель-ности. Гетерофункцио-нальные производные бензольного ряда как лекарственные средства. Биологически важные гетероциклические системы
Раздел 3. Биополимеры и их структурные компоненты. Липиды. Низкомолекулярные биорегуляторы
Занятие 12 (17-22 ноября 2014 г.) a-Аминокислоты, пептиды, белки Пептиды и белки. Аминокислоты, входящие в состав белков. Строение. Номенклатура. Стереоизомерия. Кислотно-основные свойства, биполярная структура. Классификация с учетом различных признаков: по химической природе радикала и содержащихся в нем заместителей; по кислотно-основным свойствам. Биосинтетические пути образования a-аминокислот из кетонокислот: реакции восстановительного аминирования и реакции трансаминирования. Пиридоксалевый катализ. Химические свойства a-аминокислот как гетерофункциональных соединений. Образование внутрикомплексных солей. Реакции этерификации, ацилирования, алкилирования, образование иминов. Биологически важные реакции a-аминокислот. Реакции дезаминирования (неокислительного и окислительного). Реакции гидроксилирования. Декарбоксилирование a-амино-кислот – путь к образованию биогенных аминов и биорегуляторов (коламин, гистамин, триптамин, серотонин, кадаверин, b-аланин, g-аминомасляная кислота). Пептиды. Строение пептидной группы. Гидролиз пептидов. Установление аминокислотного состава с помощью современных физико-химических методов. Установление первичной структуры аминов. Определение аминокислотной последовательности. Первичная структура белков. Частичный и полный гидролиз. Понятие о сложных белках. Гликопротеины, липопротеины, нуклеопротеины, фосфопротеины. Лабораторная работа 12. Опыты: амфотерные свойства α-аминокислот, образование внутрикомплексных солей α-аминокислот, образование оснований Шиффа, дезаминирование α-аминокислот, общая реакция обнаружения α-аминокислот (нингидриновая реакция), обнаружение ароматических α-аминокислот (ксантопротеиновая реакция), обнаружение меркаптогруппы в цистеине, обнаружение пептидной группы (биуретовая реакция). Занятие 13 (24-29 ноября 2014 г.) Моносахариды. Олигосахариды. Полисахариды Углеводы. Моносахариды. Классификация. Стереоизомерия моносахаридов. D- и L-стереохимические ряды. Открытые и циклические формы. Формулы Фишера и формулы Хеуорса. Фуранозы и пиранозы; a- и b-аномеры. Цикло-оксо-таутомерия. Конформация пиранозных форм моносахаридов. Строение наиболее важных представителей пентоз (рибоза, ксилоза); гексоз (глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза); дезоксисахаров (2-дезоксирибоза); аминосахаров (глюкозамин, ман-нозамин, галактозамин). Нуклеофильное замещение у аномерного центра в циклических формах моносахаридов. О- и N-гликозиды. Гидролиз гликозидов. Фосфаты моносахаридов. Ацилирование аминосахаров. Окисление моносахаридов. Восстановительные свойства альдоз. Гликоновые, гликаровые, гликуроновые кислоты. Аскорбиновая кислота. Восстановление моносахаридов (ксилит, сорбит, маннит). Взаимопревращение альдоз и кетоз. Реакции альдольного типа в ряду моносахаридов: альдольное присоединение дигидроксиацетона к глицериновому альдегиду; альдольное расщепление фруктозы; образование нейраминовой кислоты. Олигосахариды. Дисахариды: мальтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Строение, цикло-оксо-таутомерия. Восстановительные свойства. Гидролиз. Конформационное строение мальтозы и целлобиозы. Полисахариды. Гомополисахариды: крахмал (амилоза и амилопектин), гликоген, декстран, целлюлоза. Пектины (полигалактуроновая кислота). Первичная структура, гидролиз. Понятие о вторичной структуре (амилоза, целлюлоза). Гетерополисахариды: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты. Первичная структура. Представление о строении гепарина. Понятие о смешанных биополимерах (пептидогликаны, протеогликаны, гликопротеины, гликолипиды). Лабораторная работа 13. Опыты: доказательство наличия гидроксильных групп в глюкозе, восстановление гидроксида меди (II) глюкозой в щелочной среде, восстановительные свойства глюкозы (реакция с реактивом Фелинга), восстановительные свойства глюкозы (реакция «серебряного зеркала»), реакция Селиванова на фруктозу. Занятие 14 (1-6 декабря 2014 г.) Нуклеотидные коферменты. Нуклеиновые кислоты Нуклеиновые кислоты. Пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания. Ароматические свойства. Лактим-лактамная таутомерия. Реакции дезаминирования. Комплементарность нуклеиновых оснований. Водородные связи в комплементарных парах нуклеиновых оснований. Нуклеозиды. Гидролиз нуклеозидов. Нуклеотиды. Строение мононуклеотидов, образующих нуклеиновые кислоты. 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. Лекарственные средства на основе модифицированных нуклеиновых оснований (фторурацил, меркаптопурин). Нуклеозиды – антибиотики. Принцип химического подобия. Изменение структуры нуклеиновых кислот под действием химических веществ. Мутагенное действие азотистой кислоты. Нуклеозидмоно- и полифосфаты. АМФ, АДФ, АТФ. Никотин- амиднуклеотидные коферменты. Строение НАД^+ и его фосфата НАДФ^+. Система НАД^+ - НАДН. Занятие 15 (8-13 декабря 2014 г.) Липиды Липиды.Омыляемые липиды. Нейтральные липиды. Естественные жиры как смесь триацилглицеринов. Природные высшие жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая. Пероксидное окисление фрагментов жирных кислот в клеточных мембранах. Конечные продукты окисления (малоновый диальдегид, диеновые конъюгаты и др.), принцип анализа ТБК-реагирующих веществ. Фосфолипиды. Фосфатидовые кислоты. Фосфатидилколамины и фосфатидилсерины (кефалины), фосфатидилхолины (лецитины) – структурные компоненты клеточных мембран. Сфинголипиды, церамиды, сфингомиелины. Гликолипиды (цереброзиды, ганглиозиды). Понятие о структурных компонентах. Занятие 16 (15-20 декабря 2014 г.) Низкомолекулярные биорегуляторы Изопреноиды. Терпены. Моно- и бициклические терпены. Лимонен, ментол, камфора. Сопряженные полиены: каротиноиды, витамин А. Стероиды. Представление об их биологической роли. Гонан, конформационное строение 5a- и 5b-стероидов. Углеводороды – родоначальники групп стероидов: эстран, андростан, прегнан, холан, холестан. Стероидные гормоны. Эстрогены, андрогены, гестагены, кортикоиды. Желчные кислоты. Холевая кислота. Гликохолевая и таурохолевая кислоты. Стерины. Холестерин. Эргостерин, превращение его в витамины группы Д. Агликоны сердечных гликозидов. Дигитоксигенин. Строфантидин. Лабораторная работа 14. Опыты: обнаружение терпенов в кожуре плодов цитрусовых, обнаружение каротиноидов в моркови. Контрольная работа 3. Биополимеры и их структурные компоненты. Липиды. Низкомолекулярные биорегуляторы. Занятие 17 (22-27 декабря 2014 г.) Зачет: «Строение биологически важных органических соединений и являющихся родоначальниками групп лекарственных средств». Обзор экзаменационных вопросов Занятие 18 (январь 2015 г.) Обзор экзаменационных вопросов	Лекция 7 Аминокислоты, входящие в состав белков. Биосинтетические пути образования и биологически важные реакции a-аминокислот. Пептиды и белки. Понятие о сложных белках (гликопротеины, липопротеины, нуклеопротеины, фосфопротеины) Лекция 8 Углеводы: моносахариды, олигосахариды, полисахариды Лекция 9 Структурные компоненты нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты. Нуклеотидные коферменты. Липиды. Низкомолекулярные биорегуляторы