Біоорганічна хімія. Методичні вказівки. Медичний факультет. Модуль 1 (рос)

ГОСУДАРСТВЕННОЕ МЕДИЦИНСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ МЗ УКРАИНЫ

“УКРАИHСКАЯ МЕДИЦИHСКАЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ”

М Е Т О Д И Ч Е С К И Е Р А З Р А Б О Т К И

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕHТОВ І КУРСА МЕДИЦИНСКОГО ФАКУЛЬТЕТА

ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ И БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ (модуль І)

Полтава – 2006

Авторы: д.м.н., профессор Л.М. Тарасенко, д.м.н., профессор К.С. Непорада, к.б.н., доцент В.К. Григоренко, к.б.н., ст. преп. С.В. Харченко, к.м.н., доцент Л.Г. Нетюхайло, М.В. Билець.

Методические разработки по биологической и биоорганической химии (І модуль) для самостоятельной работы студентов І курса медицинского факультета. – Полтава, 2006. – с. Русским языком.

Методические разработки для самостоятельной работы студентов по биологической и биоорганической химии (І модуль) высших медицинских заведений образования ІV уровня аккредитации подготовлены в соответствии с программой “Биологическая и биоорганическая химия”, которая составлена сотрудниками опорной кафедры биоорганической, биологической и фармакологической химии Национального медицинского университета имени О.О. Богомольца (заведующий кафедры – членкорреспондент АМН Украины, заслуженный деятель науки и техники Украины, профессор Ю.И. Губский). Учебный материал структурирован на 5 модулей, что отвечает стандартам обучения, согласно принципам Болонского процесса, и способствует повышению качества подготовки студентов. Учебное пособие рассчитано на 2-х часовые занятия, содержит последовательность и указания к учебным действиям, перечень практических навыков и видов индивидуальных, самостоятельных работ, а также список обязательной и дополнительной литературы.

Рецензенты: заслуженный деятель науки и техники Украины, доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии В.П. Мищенко.

доктор медицинских наук, профессор кафедры экспериментальной и клинической фармакологии Т.А. Девяткина.

ПАМЯТКА СТУДЕНТУ!

Дисциплина “БИОЛОГИЧЕСКАЯ И БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ”

структурирована на 5 модулей:

Модуль 1. Биологически важные классы биоорганических соединений. Биополимеры и их структурные компоненты

Модуль 1:

Биологически важные классы органических соединений. Биополимеры и их структурные компоненты.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БАЛЛОВ, ПРИСВОЕННЫХ СТУДЕНТАМ

	Модуль 1	Количество баллов
	Тема 1	8
	Тема 2	8
	Тема 3	8
	Тема 4	8
	Тема 5	8
	Тема 6	8
	Тема 7	8
	Тема 8	8
	Тема 9	8
	Тема 10	8
	Тема 11	8
	Тема 12	8
	Тема 13	8
	Тема 14	8
	Всего	112
	Индивидуальные задания студентам:	8
	Создание предложенных схем в
	электронном варианте
	Итоговый контроль усвоения модуля 1, в	80
	том числе:
	Контроль практической подготовки;
	Тестовый контроль теоретической
	подготовки.
	Всего сумма баллов:	200

Примечание: при усвоении темы за традиционной системой студенту присваиваются баллы „5” – 8 баллов, „4” – 6 баллов, „3” – 3 балла, „2” – 0 баллов. Максимальное количество баллов за текущую учебную деятельность студента –

120.

Студент допускается к итоговому модульному контролю при выполнении условий учебной программы и в случае, если за текущую учебную деятельность он набрал не

меньше 42 баллов (14 · 3 = 42) .

Итоговый тестовый контроль засчитывается студенту, если он демонстрирует владение практическими навыками, и набрал при выполнении тестового контроля теоретической подготовки не меньше 50 баллов.

Тема 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА И ИЗОМЕРИЯ БИООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. ПРИРОДА ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ.

Актуальность темы: на сегодняшний день насчитывается несколько миллионов биоорганических соединений. Чтобы ориентироваться в этом количестве, международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) принята система правил, что позволяет дать однозначное индивидуальное название каждому соединению. Такая номенклатура называется международной (МН), или систематической.

Однако рядом с МН, используется также тривиальная номенклатура, особенно для наименования таких естественных соединений как аминокислоты, углеводы, некоторые продукты обмена веществ и лекарственные средства.

Во второй половине ХІХ века российский ученый О.М. Бутлеров (1828-1886) создал теорию строения органических соединений и объяснил явление их изомерии. Далее разрабатываются главные положения квантовой механики, и на их основе раскрывается теоретически строение атома углерода, электронное строение простых, двойных и тройных ковалентных связей и его валентных состояний.

Конкретные цели:

1.Усвоить теоретические положения классификации, международной и тривиальной номенклатуры и изомерии биоорганических соединений.

2.Повторить схематическое изображение распределения электронов на атомных орбиталях атома углерода.

3.Усвоить основные положения изомерии органических веществ.

4.Интерпретировать явления электроотрицательности и взаимного влияния атомов.

Ориентировочная карта для самостоятельного изучения студентами учебной литературы при подготовке к занятию.

Содержание и последовательность							Указания к учебным действиям
		действий
1.	Правила техники безопасности в
химической лаборатории.
2.	Классификация		органических			2.1.	Ациклические,		карбоциклические
соединений.						(алициклические		и	ароматические)		и
						гетероциклические соединения. Строение их
						представителей.
						2.2. Классы органических соединений и
						функциональные группы что им отвечают.
						2.3. Старшинство функциональных групп и их
						название.
3.	Номенклатура биоорганических					3.1. Тривиальная номенклатура.
соединений.						3.2. Международная номенклатура (МН).
						3.3.Радикально-функциональная номенклатура.
4.	Изомерия		органических			4.1.	Изомерия	строения		(структурная
соединений.						изомерия).
						4.2.	Пространственная			изомерия
						(стереоизомерия)
						4.3. Конфигурационная изомерия: оптические,
						геометрические и конформационные изомеры.
5.	Электронная		структура		и	5.1.	Схематическое			изображение
валентные		состояния		атома		распределения		электронов		на атомных
углерода.						орбиталях атома углерода.

	5.2. Первое валентное состояние атома
	углерода (sp3-гибридизация).
	5.3. Второе и третье валентные состояния
	атома углерода (sp2- та sp-гибридизация).
6. Взаимное влияние атомов в	6.1. σ- и π-связи в органических соединениях.
органических соединениях.	6.2. Электроотрицательность атомов.
	6.3. Распределение электронной густоты в
	органических молекулах:
	1)индуктивный эффект;
	2)мезомерный эффект.

Тема 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ АЛКАНОВ, АЛКЕНОВ, АРЕНОВ, СПИРТОВ, ФЕНОЛОВ, АМИНОВ.

Актуальность темы: в организме человека протекает множество реакций, в которых могут принимать участие производные алканов, алкенов, аренов, спиртов, фенолов и аминов. Эти реакции можно классифицировать:

-по механизму – ионные и радикальные;

-по направленности: присоединение, отщепление, замещение, перегруппирование, окисление и восстановление;

-по количеству молекул, которые принимают участие в реакции.

В свою очередь реакции присоединения и замещения могут протекать по ионному (электрофильному и нуклеофильному), или радикальному механизмам. Одна и та же реакция, в зависимости от условий, может протекать по разным механизмам.

Конкретные цели:

1.Выучить реакционную способность алифатических и ароматических соединений, а также их гидрокси- и аминопроизводных.

2.Интерпретировать зависимость реакционной способности биоорганических соединений от природы химической связи и взаимного влияния атомов в молекуле.

Ориентировочная карта для самостоятельного изучения студентами учебной литературы при подготовке к занятию.

Содержание и последовательность				Указания к учебным действиям
	действий
1.	Характеристика	нуклеофилов и	1.1. В тетрадь протоколов опытов выписать
электрофилов.			алгоритм лабораторной работы.
			1.2.	Нуклеофильные	и электрофильные
			реагенты.
2.	Насыщенные	алифатические	2.1. Гомологический ряд алканов: их название
углеводороды (алканы).			и молекулярные формулы.
			2.2.	Химические	свойства	алканов.
			Радикальное замещение		возле насыщенного
			атома	углерода (SR).
3.	Ациклические	углеводороды:	3.1. Представители алкенов, алкадиенов и
алкены, алкадиены и алкины.			алкинов. Особенности их строения и
			химические свойства.
			3.2.	Электрофильное	присоединение к
			ненасыщенным соединениям (АЕ).

4.Ароматические углеводороды 4.1. Общая характеристика и электронное

(арены).		строение ароматических			углеводородов,			их
		химические свойства.
		4.2.	Электрофильное		замещение			в
		ароматических соединениях (SЕ).
		4.3. Влияние заместителей на реакционную
		способность аренов.
5.	Гидроксильные	соединения: 5.1.	Строение	спиртов	и	фенолов,		их
спирты и фенолы.		представители,		физические и		химические
		свойства гидроксисоединений.
		5.2.	Нуклеофильное		замещение		возле
		насыщенного атома углерода (SN).
		5.3.	Многоатомные		ациклические			и
		циклические спирты.
6. Амины.		6.1.	Алифатические и ароматические				амины:
		представители и их строение.
		6.2. Химические свойства аминов: реакции
		аминов как нуклеофильных реагентов.
		6.3. Анилин: его фармакологические и
		биологические производные.

Алгоритм лабораторной работы:

1. Реакция глицерина с гидрооксидом меди (ІІ).

В пробирку помещают 3 капли 0,2 N раствора CuSO4 и 3 кап. 0,2 N раствора NaOH. Наблюдают образование голубого осадка гидрата окиси меди. В ту же пробирку добавляют 2 кап. глицерина, перемешивают и наблюдают за растворением осадка.

Запишите уравнение реакции глицерина с гидрооксидом меди (ІІ).

2. Реакция бромирования фенола.

В пробирку помещают 3 капли бромной воды и добавляют 2 кап. карболовой воды (водный раствор фенола). Наблюдают за изменением окраски раствора и образованием осадка.

Запишите уравнение реакции фенола с бромом.

3. Щелочная реакция водного раствора этиламина.

На универсальную бумагу стеклянной палочкой нанесите небольшую каплю водного раствора этиламина. Как изменяется цвет индикатора? О чем это свидетельствует?

Запишите уравнение реакций с водой.

Тема 3. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ.

Актуальность темы: альдегиды и кетоны являются важными промежуточными продуктами обмена веществ в организме человека. Они образуются в процессах обмена углеводов, липидов и белков. Наличие в альдегидах и кетонах сильно поляризованной карбонильной группы, в результате смещения электронов σ- и π-связи в сторону кислорода, предопределяет их высокую реакционную способность.

Конкретные цели:

1.В процессе проведения химических реакций усвоить реакционную способность карбонильных соединений: альдегидов и кетонов.

2.Интерпретировать механизмы реакций альдегидов и кетонов, их превращения в биологических системах.

Ориентировочная карта для самостоятельного изучения студентами учебной литературы при подготовке к занятию.

Содержание и последовательность				Указания к учебным действиям
	действий
1.	Практическое	изучение	1.1. В тетрадь протоколов опытов выписать
реакционной способности альдегидов			алгоритм лабораторной работы.
и кетонов.			1.2.	Характеризовать			строение карбонильной
			группы, назвать и записать формулы и
			наименования распространенных альдегидов и
			кетонов.
			1.3. Провести качественные реакции:
			а)	Фелинга		с	водным		раствором
			формальдегида;
			б) ацетона с раствором йода в щелочной среде;
			в) осаждение белка формалином.
2. Химические свойства альдегидов и			2.1.	Реакции нуклеофильного присоединения
кетонов.			(АN) к альдегидам таких соединений как вода,
			цианиды, спирты, амины.
			2.2. Реакция альдольной конденсации и ее
			значение для удлинения углеводородной цепи.
			2.3. Реакции окисления и восстановления
			альдегидов и кетонов. Качественные реакции
			на выявление альдегидной группы (Толленса,
			Троммера, Фелинга), их клиническое значение.
			2.4.		Реакция		диспропорционирования
			(дисмутации, реакция Канниццаро).
			2.5. Галоформные реакции альдегидов и
			кетонов.		Йодоформная			проба	и	ее
			использование в аналитических целях.
		Алгоритм лабораторной работы:

1.Отношение альдегидов и кетонов к окислению раствором гидрооксида меди (ІІ).

В2 пробирки вносят по 5 кап. реактива Фелинга, потом в первую пробирку добавляют

3кап. ацетона, а во вторую – 3 кап. формалина. Обе пробирки нагревают на водяной бане. Во второй пробирке образуется желтый, а затем красный осадок.

Запишите уравнение реакции формалина с гидрооксидом меди (ІІ).

2.Реакция диспропорционирования (дисмутации) водных растворов альдегидов (реакция Канниццаро).

Вводных растворах альдегиды (преимущественно ароматические) вступают в окислительно-восстановительные реакции, при которых одни молекулы альдегида окисляются за счет восстановления вторых. Такие реакции называются диспропорционирование, или дисмутации.

Каплю водного раствора формальдегида (формалина) стеклянной палочкой наносят на кусочек универсальной индикаторной бумаги. Изменение цвета индикаторной бумаги свидетельствует о кислой среде.

Запишите уравнение реакции.

3.Йодоформная реакция на ацетон.

В пробирку помещают 1 кап. раствора Люголя (КІ+І2) и добавляют каплю

10%

раствора NaOH до слабожелтого цвета смеси и каплю ацетона. Спустя некоторое время появляется желто-белый осадок йодоформа. Эта реакция используется в клинике для диагностики сахарного диабета.

4.Осаждение белка формалином.

Впробирку вносят 5-6 кап. раствора белка и добавляют несколько капель формалина. При смешивании наблюдают свертывание белка.

Тема 4. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ.

Актуальность темы: карбоновые кислоты и их производные являются важными промежуточными продуктами обмена веществ; они образуются в организме человека как продукты метаболизма моносахаридов, жирных кислот, аминокислот, поэтому знания строения и физико-химических свойств этих соединений необходимы для последующего усвоения основных положений метаболизма.

Конкретные цели:

1.Интерпретировать зависимость реакционной способности карбоновых кислот от природы химической связи и взаимного влияния атомов в молекуле.

2.Интерпретировать особенности строения карбоновых кислот.

3.Объяснять возможность использования реакционной способности карбоновых кислот.

4.Интерпретировать механизмы реакций карбоновых кислот, их производных и превращение их в биологических системах.

Ориентировочная карта для самостоятельного изучения студентами учебной литературы при подготовке к занятию.

Содержание и последовательность		Указания к учебным действиям
действий
1. Практическое изучение химических	1.1. В тетрадь протоколов опытов выписать
свойств карбоновых кислот.	алгоритм лабораторной работы.
	1.2. Как и почему изменится цвет раствора
	КМnO4 при добавлении олеиновой кислоты?
2. Классификация карбоновых кислот.	2.1.	Объяснить	классификацию	карбоновых
	кислот.
	2.2.	Назовите	отдельных представителей
	монокарбоновых кислот.
3. Строение и свойства карбоновых	3.1. Реакции нуклеофильного замещения (Sn)
кислот.	возле sp2-гибридизированого атома углерода
	оксогруппы.
	3.2.	Реакции	этерификации	и	их
	биохимическое значение.
	3.3.	Реакции	амидирования	и	их
	биохимическое значение.
4. Строение и свойства дикарбоновых и	4.1. Химические свойства.
трикарбоновых кислот.	4.2. Биологическое значение отдельных
	представителей		карбоновых	кислот
	(щавелевой,		малоновой,	янтарной,
	глутаровой, фумаровой).

Алгоритм лабораторной работы:

Реакция Вагнера.

В пробирку вмещают 2 кап. олеиновой кислоты, добавляют 2 кап. 5% раствора карбоната натрия (Na2CO3) и 2 кап. 2% раствора KMnO4. Стряхнуть пробирку несколько раз. Какие изменения наблюдаются с фиолетовой окраской раствора?

Запишите уравнение реакции.

Тема 5. ВЫСШИЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ. ЛИПИДЫ. ФОСФОЛИПИДЫ.

Актуальность темы: липиды выполняют важные функции (энергетическую, структурную, регуляторную и др.) для организма человека. Знания строения и физикохимических свойств липидов необходимы врачу любой специальности. Биохимические показатели обмена липидов широко используются в клинической практике.

Конкретные цели:

1.Объяснять зависимость биологической активности от пространственного строения липидов.

2.Интерпретировать зависимость реакционной способности липидов от природы химической связи и взаимного влияния атомов в молекуле.

3.Объяснять химические свойства липидов и их биологическое значение.

4.Интерпретировать механизмы реакций разных классов липидов, их превращения в биологических системах.

5.Уметь анализировать реакцию Вагнера.

Ориентировочная карта для самостоятельного изучения студентами учебной литературы при подготовке к занятию.

Содержание и последовательность		Указания к учебным действиям
действий
1. Практическое изучение свойств	1.1. В тетрадь протоколов опытов выписать
ненасыщенных липидов.	алгоритм лабораторной работы.
	1.2.	Почему	реакция		Вагнера		на
	ненасыщенность			жира		является
	качественной?
2. Строение и свойства нейтральных	2.1. Биологические функции липидов.
липидов.	2.2. Высшие жирные кислоты как
	составляющие нейтральных липидов.
	2.3.	Физиологическое		значение		гидролиза
	нейтральных липидов.
	2.4. Мыла.
3. Строение и свойства фосфолипидов.	3.1. Роль фосфолипидов в построении
	биомембран.
	3.2. Классификация фосфолипидов.
	3.3.	Физико-химические				свойства
	фосфолипидов.

Алгоритм лабораторной работы:

1.Реакция Вагнера на ненасыщенность жиров.

Впробирку помещают 2 кап. олеиновой кислоты, добавляют 2 кап. 5% раствора

карбоната натрия (Na2CO3) и 2 кап. 2% раствора KMnO4. Встряхивают пробирку несколько раз. Какие изменения наблюдаются с фиолетовой окраской раствора? Почему реакция Вагнера на ненасыщенность жира является качественной?

2.Омыление жира водно - спиртовым раствором щелочи.

Впробирку поместить 1 мл масла, 1 мл спирта, 1 мл 35% раствора NaOH, перемешать, нагреть на водяной бане. Омыление происходит на протяжении 5 минут. Несколько капель раствора перенести во вторую пробирку и добавить 2 мл дистиллированной воды, нагреть до кипения. Растворение пробы указывает на полноту омыления. Для выделения мыла из раствора прибавить горячий насыщенный раствор NaCl. Слой мыла образуется на поверхности жидкости. После расслоения охладить раствор и снять верхний слой мыла, который будет использован в следующем опыте.

Составить уравнение реакции омыления жира.

3.Гидролиз спиртового раствора мыла.

Впробирку поместить крупинку мыла, полученного в опыте №2 и прибавить 1 кап. спиртового раствора фенолфталеина. Покраснения не наблюдается. Это подтверждает, что полученное мыло – соль жирных кислот, не содержит щелочи. В эту же пробирку добавить 5-10 кап. дистиллированной воды. Что наблюдается? Объяснить уравнением реакции.

Тема 6. СТРОЕНИЕ, РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНИХ СОЕДИНЕНИЙ (гидроксикислот, α- β, γ-аминокислот, кетокислот и фенолокислот).

Актуальность темы: изучение физико-химических свойств гетерофункциональных соединений с учетом взаимного влияния функциональных групп и пространственного строения молекул имеет важное значение для понимания механизмов реакций обмена веществ, так как они являются интермедиатами. Качественные реакции на кетоновые тела имеют важное диагностическое значение.

Конкретные цели:

1.Заключать и анализировать взаимосвязь между строением, конфигурацией и конформацией гетерофункциональных соединений.

2.Объяснять классификацию и изомерию гидроксикислот.

3.Интерпретировать зависимость реакционной способности гетерофункциональных соединений от природы химической связи и взаимного влияния атомов в молекуле.

4.Интерпретировать механизмы реакций разных классов гетерофункциональных соединений, их превращения в биологических системах.

Ориентировочная карта для самостоятельного изучения студентами учебной литературы при подготовке к занятию.

Содержание и последовательность					Указания к учебным действиям
	действий
1.	Практическое	изучение	свойств	1.1. В тетрадь протоколов опытов выписать
гетерофункциональных соединений.				алгоритм лабораторной работы.
				1.2. Оценить разницу в химическом
				поведении салола и аспирина при их
				взаимодействии с FeCl3. Аргументировать
				вывод.
2.	Строение	и	свойства	2.1.	Классификация	и	изомерия
гидроксикислот.				гидроксикислот.
				2.2. Асимметричный		атом	углерода,
				хиральность, оптическая активность.
				2.3. Энантиомеры. Диастереоизомеры.
				2.4. Химические свойства и биологическое
				значение гидроксикислот и аминокислот.