Биоорганическая химия

биоорганическая
химия

Под общей редакцией И.В. Романовского

 
Минск 
Москва
 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»
2015

Утверждено
Министерством образования Республики Беларусь  
в качестве учебника для студентов  
учреждений высшего образования  
по медицинским специальностям

УДК 577.1(075.8) 
ББК 28.072я73 
 
Б63

Биоорганическая химия : учебник / И.В. Романовский [и др.] ; под 
общ. ред. И.В. Романовского. — Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 
2015. — 505 с. : ил. — (Высшее образование).

ISBN 978-985-475-744-5 (Новое знание). 
ISBN 978-5-16-010819-3 (ИНФРА-М, print). 
ISBN 978-5-16-102815-5 (ИНФРА-М, online).

Изложены теоретические основы органической химии. Рассмотрены механизмы реакций основных классов органических соединений. При интерпретации 
строения и реакционной способности природных органических соединений широко использованы квантово-химические и стереохимические представления. 
Особое внимание уделено соединениям и реакциям, имеющим аналоги в клетке 
и живом организме, а также их биологической роли.
Для студентов медицинских специальностей учреждений высшего образования. Может быть полезен магистрантам и аспирантам соответствующего профиля.

УДК 577.1(075.8) 
ББК 28.072я73

Б63

 
©  ООО «Новое знание», 2015

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

А в т о р ы :
И.В. Романовский, В.В. Болтромеюк, Л.Г. Гидранович, О.Н. Ринейская

Р е ц е н з е н т ы:
зав. кафедрой общей и биоорганической химии Гомельского государственного 
медицинского университета, кандидат химических наук, доцент А.В. Лысенкова;
доцент кафедры биологической химии Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент Н.М. Орел

ISBN 978-985-475-744-5 (Новое знание) 
ISBN 978-5-16-010819-3 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-102815-5 (ИНФРА-М, online)

Оглавление

Предисловие..................................................................................................................................................10

Список.сокращений....................................................................................................................................12

Введение.........................................................................................................................................................13

Раздел I. ТеоРеТические осноВы оРганической химии

глава 1. строение, классификация и номенклатура органических соединений.............18
1.1..Общая.характеристика.органических.соединений.................................................................18
1.2..Классификация.органических.соединений................................................................................19
1.3..Номенклатура.органических.соединений..................................................................................25
1.3.1..Заместительная.номенклатура............................................................................................26
1.3.2..Алгоритм.составления.названия.по.заместительной..
номенклатуре.ИЮПАК.........................................................................................................28
1.3.3..Радикало-функциональная.номенклатура.....................................................................31

глава 2. химическая связь и взаимное влияние атомов в молекулах 
органических соединений.......................................................................................................................33
2.1..Природа.химических.связей.в.органических.молекулах.....................................................33
2.2..Ковалентная.связь...............................................................................................................................36
2.2.1..Метод.валентных.связей..Механизмы.образования.электронных.пар...............37
2.2.2..Метод.молекулярных.орбиталей.......................................................................................41
2.2.3..Свойства.ковалентной.связи...............................................................................................45
2.2.4..Водородная.связь.....................................................................................................................55
2.3..Взаимное.влияние.атомов.в.органических.молекулах..Пространственные.
и.электронные.эффекты....................................................................................................................57
2.3.1..Открытые.сопряженные.системы......................................................................................57
2.3.2..Системы.с.замкнутой.цепью.сопряжения..Ароматичность...
Правило.Хюккеля...................................................................................................................62
2.3.2.1..Ароматичность.аренов............................................................................................63
2.3.2.2..Конденсированные.карбоциклические.ароматические.соединения.....67
2.3.2.3..Небензоидные.карбоциклические.ароматические.системы.....................68
2.3.2.4..Гетероциклические.ароматические.системы..................................................69
2.3.3..Электронные.эффекты...........................................................................................................70

глава 3. стереоизомерия органических молекул.........................................................................75
3.1..Конфигурация.и.конформации.ациклических.соединений................................................77
3.1.1..Молекулярные.модели..Стереохимические.формулы...............................................77
3.1.2..Конфигурация.и.конформации.этана..Проекционные.формулы.Ньюмена......79
3.1.3..Конформации.бутана.и.замещенных.углеводородов.................................................82
3.1.4..Конформации.соединений.с.длинной.углеродной.цепью........................................85
3.2..Конформации.карбоциклических.соединений.........................................................................86
3.2.1..Конформации.циклопропана,.циклобутана.и.циклопентана..................................86
3.2.2..Конформации.циклогексана..Циклогексановое.кольцо.в.биологически.
важных.соединениях..............................................................................................................87
3.3..Конфигурационная.стереоизомерия............................................................................................92
3.3.1..Понятие.о.симметрии.молекул..Хиральность..............................................................92
3.3.2..Проекционные.формулы.Фишера.....................................................................................97

Оглавление
4

3.3.3. Относительная D‑,L‑номенклатура стереоизомеров. Рацемические смеси......97
3.3.4. Стереоизомерия молекул с двумя центрами хиральности.  
s‑Диастереомеры................................................................................................................. 100
3.3.5. p‑Диастереомерия................................................................................................................ 102
3.3.6. Цис‑транс‑стереоизомерия алициклических соединений ................................... 103
3.3.7. R‑,S‑Система обозначения конфигурации ................................................................. 104
3.3.8. Методы разделения рацемических смесей................................................................. 107
3.4. Взаимосвязь стереохимического строения и биологической активности ................. 109

Глава 4. Кислотность и основность органических соединений .......................................... 113
4.1. Концепция кислотности и основности.................................................................................... 113
4.1.1. Протолитическая теория кислот и оснований Брёнстеда—Лоури .................. 113
4.1.2. Качественная оценка кислотности органических соединений........................... 120
4.1.3. Качественная оценка основности органических соединений ............................. 128
4.1.4. Амфотерность органических соединений................................................................... 132
4.2. Теория кислот и оснований Льюиса......................................................................................... 133

Глава 5. Общие закономерности реакционной способности органических  
соединений................................................................................................................................................. 136
5.1. Понятие о реакционной способности ...................................................................................... 136
5.2. Понятия о химическом процессе и механизме органических реакций ...................... 139
5.3. Классификация органических реакций................................................................................... 142

Раздел II. БиОлОГичесКи важные РеаКции уГлевОдОРОдОв 
и их мОнОфунКциОнальных пРОизвОдных

Глава 6. Реакционная способность алифатических и ароматических 
углеводородов. Реакции радикального замещения, электрофильного 
присоединения и замещения.............................................................................................................. 148
6.1. Классификация углеводородов .................................................................................................. 148
6.2. Реакционная способность алканов и циклоалканов. Реакции радикального

замещения........................................................................................................................................... 150
6.3. Реакционная способность алкенов и алкадиенов. Реакции электрофильного

присоединения.................................................................................................................................. 153
6.3.1. Механизм реакций электрофильного присоединения........................................... 153
6.3.2. Гидрогалогенирование. Правило Марковникова..................................................... 153
6.3.3. Гидратация.............................................................................................................................. 155
6.3.4. Галогенирование................................................................................................................... 157
6.3.5. Гидрирование......................................................................................................................... 157
6.3.6. Окисление............................................................................................................................... 158
6.3.7. Особенности реакций присоединения к сопряженным алкадиенам................ 158
6.4. Реакционная способность ароматических углеводородов. Реакции

электрофильного замещения....................................................................................................... 159
6.4.1. Бензол и его гомологи........................................................................................................ 159
6.4.2. Галогенирование бензола .................................................................................................. 160
6.4.3. Нитрование бензола............................................................................................................ 161
6.4.4. Сульфирование бензола.................................................................................................... 162
6.4.5. Алкилирование по Фриделю—Крафтсу..................................................................... 163
6.4.6. Ацилирование по Фриделю—Крафтсу....................................................................... 164
6.4.7. Ориентирующее действие заместителей в бензольном кольце.......................... 164

Оглавление
5

глава 7. Реакционная способность галогенопроизводных углеводородов,  
спиртов, фенолов, тиолов, аминов. Реакции нуклеофильного замещения 
и элиминирования.................................................................................................................................... 166
7.1..Реакционная.способность.галогенопроизводных.углеводородов.................................. 166
7.1.1..Классификация.галогенопроизводных.углеводородов........................................... 166
7.1.2..Реакционные.центры.галогенопроизводных.............................................................. 167
7.1.3..Реакции.электрофильного.центра..Общие.закономерности.реакций.
нуклеофильного.замещения............................................................................................. 168
7.1.4..Механизм.реакций.нуклеофильного.замещения...................................................... 170
7.1.5..Реакции.элиминирования.................................................................................................. 172
7.2..Реакционная.способность.спиртов.и.тиолов......................................................................... 173
7.2.1..Классификация.спиртов.и.тиолов................................................................................. 173
7.2.2..Реакционные.центры.спиртов.и.тиолов....................................................................... 174
7.2.3..Реакции.кислотных.центров............................................................................................. 175
7.2.4..Реакции.основных.центров............................................................................................... 176
7.2.5..Реакции.электрофильного.центра.................................................................................. 177
7.2.6..Реакции.элиминирования.спиртов................................................................................ 180
7.2.7..Реакции.нуклеофильного.центра.................................................................................... 181
7.2.8..Реакции.окисления.............................................................................................................. 182
7.3..Реакционная.способность.фенолов........................................................................................... 184
7.3.1..Классификация.фенолов.................................................................................................... 184
7.3.2..Реакционные.центры.фенолов......................................................................................... 185
7.3.3..Кислотные.свойства.фенолов.......................................................................................... 185
7.3.4..Окисление.фенолов............................................................................................................. 186
7.4..Реакционная.способность.аминов.............................................................................................. 188
7.4.1..Классификация.аминов...................................................................................................... 188
7.4.2..Реакционные.центры.аминов........................................................................................... 189
7.4.3..Реакции.нуклеофильного.центра.................................................................................... 190
7.4.4..Окисление.аминов................................................................................................................ 191
7.4.5..Дезаминирование.аминов.................................................................................................. 192

глава 8. Реакционная способность альдегидов и кетонов.  
Реакции нуклеофильного присоединения..................................................................................... 193
8.1..Классификация.карбонильных.соединений........................................................................... 193
8.2..Электронное.строение.карбонильной.группы..Реакционные.центры..
альдегидов.и.кетонов...................................................................................................................... 194
8.3..Реакции.основного.центра............................................................................................................ 195
8.4..Реакции.электрофильного.центра.............................................................................................. 196
8.4.1..Реакции.восстановления.................................................................................................... 197
8.4.2..Присоединение.спиртов..................................................................................................... 198
8.4.3..Реакции.присоединения-отщепления........................................................................... 200
8.5..Реакции.с.участием.СН-кислотного.центра.......................................................................... 202
8.5.1..Енолизация.............................................................................................................................. 202
8.5.2..Альдольная.конденсация................................................................................................... 202
8.5.3..Галоформные.реакции......................................................................................................... 204
8.6..Реакции.полимеризации................................................................................................................ 204
8.7..Реакции.окисления.......................................................................................................................... 205
8.8..Хиноны................................................................................................................................................. 206

Оглавление
6

глава 9. Реакционная способность карбоновых кислот и их функциональных 
производных. Реакции нуклеофильного замещения............................................................... 208
9.1..Классификация.карбоновых.кислот.......................................................................................... 208
9.2..Электронное.строение.карбоксильной.группы..Реакционные.центры..
карбоновых.кислот........................................................................................................................... 212
9.3..Кислотно-основные.свойства.карбоновых.кислот............................................................... 213
9.3.1..Характеристика.кислотных.свойств.карбоновых.кислот...................................... 213
9.3.2..Реакции.солеобразования.................................................................................................. 215
9.3.3..Реакции.основного.центра................................................................................................ 216
9.3.4..Реакции.СН-кислотного.центра...................................................................................... 217
9.4..Декарбоксилирование..................................................................................................................... 219
9.5..Реакции.электрофильного.центра.............................................................................................. 220
9.5.1..Реакции.ацилирования....................................................................................................... 220
9.5.2..Реакция.этерификации....................................................................................................... 224
9.5.3..Аммонолиз............................................................................................................................... 226
9.5.4..Биологические.аналоги.реакций.SN............................................................................... 227

Раздел III. поли- и геТеРофункциональные соединения, 
учасТВующие В пРоцессах жизнедеяТельносТи

глава 10. поли- и гетерофункциональность как причина специфических свойств 
природных органических соединений............................................................................................ 230
10.1..Особенности.химических.свойств.полифункциональных.соединений..................... 230
10.2..Гетерофункциональные.соединения........................................................................................ 235
10.2.1..Аминоспирты.и.аминофенолы..................................................................................... 235
10.2.2..Гидрокси-.и.аминокислоты........................................................................................... 237
10.2.3..Оксокислоты....................................................................................................................... 244
10.3..Некоторые.гетерофункциональные.производные.бензола.как.лекарственные.
средства.............................................................................................................................................. 248
10.3.1..n-Аминобензойная.кислота.и.ее.производные...................................................... 248
10.3.2..n-Аминофенол.и.его.производные............................................................................. 250
10.3.3..Салициловая.кислота.и.ее.производные................................................................. 250
10.3.4..Сульфаниловая.кислота.и.ее.производные............................................................ 251

глава 11. Биологически активные гетероциклические соединения................................... 254
11.1..Классификация.и.номенклатура.гетероциклических.соединений.............................. 254
11.2..Пятичленные.гетероциклы.с.одним.и.двумя.гетероатомами........................................ 257
11.2.1..Основные.и.кислотные.свойства.пятичленных.гетероциклов........................ 258
11.2.2..Реакции.электрофильного.замещения...................................................................... 260
11.2.3..Гидрирование.гетероциклов.......................................................................................... 261
11.2.4..Взаимные.превращения.пятичленных.гетероциклов.
(c.одним.гетероатомом).................................................................................................. 262
11.2.5..Биологически.активные.производные.пятичленных.гетероциклов.............. 262
11.3..Шестичленные.гетероциклы.с.одним.и.двумя.гетероатомами.азота......................... 266
11.3.1..Основные.свойства.шестичленных.гетероциклов................................................ 267
11.3.2..Нуклеофильные.свойства.шестичленных.гетероциклов................................... 268
11.3.3..Реакции.электрофильного.замещения...................................................................... 268
11.3.4..Реакции.нуклеофильного.замещения....................................................................... 269

Оглавление
7

11.3.5..Реакции.окисления.и.восстановления.шестичленных.гетероциклов........... 270
11.3.6..Биологически.важные.производные.шестичленных.гетероциклов............... 270
11.4..Конденсированные.гетероциклы.............................................................................................. 274

глава 12. алкалоиды. флавоны и флавоноиды.......................................................................... 277
12.1..Алкалоиды......................................................................................................................................... 277
12.1.1..Биосинтез.алкалоидов.в.растениях........................................................................... 277
12.1.2..Классификация.алкалоидов.......................................................................................... 278
12.1.3..Общие.реакции.обнаружения.алкалоидов.............................................................. 278
12.1.4..Отдельные.представители.разных.групп.алкалоидов........................................ 280
12.2..Флавоны.и.флавоноиды.............................................................................................................. 283
12.2.1..Распространение.флавоноидов.................................................................................... 284
12.2.2..Классификация.флавоноидов...................................................................................... 285
12.2.3..Физико-химические.свойства.флавоноидов.......................................................... 288
12.2.4..Качественные.реакции.................................................................................................... 289
12.2.5..Применение.лекарственного.сырья.и.препаратов,.содержащих..
флавоноиды......................................................................................................................... 290

глава 13. углеводы.................................................................................................................................. 292
13.1..Классификация.и.биологическая.роль.углеводов............................................................. 292
13.2..Моносахариды................................................................................................................................. 293
13.2.1..Классификация..Строение..Стереоизомерия......................................................... 293
13.2.2..Реакционные.центры.моносахаридов........................................................................ 297
13.2.3..Цикло-оксо-таутомерия.моносахаридов..Аномерия............................................ 298
13.2.4..Конформации.моносахаридов...................................................................................... 304
13.2.5..Реакционные.центры.циклической.формы.моносахаридов............................. 306
13.2.6..Реакции.электрофильного.центра..Гликозиды...................................................... 306
13.2.7..Реакции.ОН-кислотных.центров................................................................................ 309
13.2.8..Реакции.нуклеофильных.центров.............................................................................. 309
13.2.9..Реакции.восстановления.моносахаридов................................................................ 311
13.2.10..Реакции.окисления.моносахаридов......................................................................... 311
13.2.11..Реакция.образования.оснований.Шиффа............................................................. 315
13.2.12..Производные.моносахаридов..................................................................................... 316
13.3..Олигосахариды................................................................................................................................ 320
13.3.1..Дисахариды......................................................................................................................... 320
13.3.2..Химические.свойства.дисахаридов............................................................................ 325
13.4..Полисахариды.................................................................................................................................. 328
13.4.1..Определение.и.классификация.полисахаридов.................................................... 328
13.4.2..Гомополисахариды............................................................................................................ 329
13.4.3..Гетерополисахариды......................................................................................................... 334
13.5..Понятие.о.смешанных.биополимерах.................................................................................... 336
13.5.1..Гликопротеины.................................................................................................................. 336
13.5.2..Протеогликаны.................................................................................................................. 339

глава 14. природные аминокислоты............................................................................................... 342
14.1..Строение.и.общая.формула.протеиногенных.аминокислот.......................................... 342
14.2..Стереоизомерия.и.номенклатура.аминокислот.................................................................. 343
14.3..Классификация.протеиногенных.аминокислот.................................................................. 346
14.4..Синтез.α-аминокислот.in vivo................................................................................................... 348
14.5..Методы.получения.аминокислот............................................................................................. 349

Оглавление
8

14.6..Химические.свойства.аминокислот......................................................................................... 350
14.6.1..Кислотно-основные.свойства.и.качественные.реакции..................................... 350
14.6.2..Реакции.нуклеофильного.центра.—.аминогруппы.............................................. 357
14.6.3..Реакции.электрофильного.центра.—.карбоксильной.группы.......................... 358
14.6.4..Химические.свойства.аминокислот.как.гетерофункциональных..
соединений........................................................................................................................... 358

глава 15. пептиды и белки.................................................................................................................. 363
15.1..Электронное.и.пространственное.строение.пептидной.связи...................................... 363
15.2..Пептиды............................................................................................................................................. 364
15.3..Химические.cвойства.пептидов.и.белков............................................................................. 366
15.3.1..Реакционные.центры.пептидов.и.белков................................................................ 366
15.3.2..Кислотно-основные.свойства....................................................................................... 366
15.3.3..Гидролиз.пептидов.и.белков......................................................................................... 370
15.4..Искусственный.синтез.пептидов.............................................................................................. 370
15.5..Понятие.о.пептоидах..Биологическая.роль.пептидов...................................................... 374
15.5.1..Представители.биологически.значимых.пептидов.............................................. 375
15.6..Белки................................................................................................................................................... 381
15.6.1..Строение.и.функции.белков......................................................................................... 382
15.6.2..Кислотно-основные.свойства.белков........................................................................ 383
15.6.3..Типы.связей.и.взаимодействий,.формирующих.и.стабилизирующих.
структуру.белков............................................................................................................... 383
15.6.4..Уровни.организации.белков......................................................................................... 385
15.6.5..Фолдинг................................................................................................................................ 396
15.6.6..Денатурация.белков......................................................................................................... 401
15.6.7..Классификация.белков................................................................................................... 402
15.6.8..Определение.первичной.структуры.пептидов.и.белков.................................... 405

глава 16. нуклеотиды и нуклеиновые кислоты.......................................................................... 409
16.1..Биологические.функции.нуклеиновых.кислот................................................................... 409
16.2..Общий.план.строения.нуклеиновых.кислот.и.составляющие.их.компоненты..... 410
16.2.1..Азотистые.основания...................................................................................................... 411
16.2.2..Сахара.................................................................................................................................... 413
16.3..Нуклеозиды...................................................................................................................................... 413
16.4..Нуклеотиды...................................................................................................................................... 416
16.5..Биологическая.роль.отдельных.нуклеотидов...................................................................... 418
16.5.1..Циклические.нуклеотиды.............................................................................................. 419
16.5.2..Нуклеозидполифосфаты..Никотинамидные.коферменты................................ 419
16.6..Первичная.структура.нуклеиновых.кислот......................................................................... 422
16.7..Вторичная.спиральная.структура.нуклеиновых.кислот...
Стэкинг-взаимодействия............................................................................................................. 423
16.8..Виды.РНК......................................................................................................................................... 424
16.9..Вторичная.структура.ДНК......................................................................................................... 429
16.10..Структурная.организация.ДНК.в.клетках.эукариот.и.прокариот............................ 432
16.11..Денатурация,.ренатурация.и.гибридизация...................................................................... 435
16.12..Нарушения,.возникающие.в.ДНК.под.влиянием.факторов.окружающей..
среды................................................................................................................................................. 435
16.13..Лекарственные.средства.на.основе.модифицированных.нуклеиновых..
оснований..Нуклеозиды-антибиотики................................................................................. 438

Оглавление
9

глава 17. липиды..................................................................................................................................... 440
17.1..Биологические.функции.липидов........................................................................................... 440
17.2..Классификация.липидов............................................................................................................. 441
17.2.1..Высшие.жирные.карбоновые.кислоты..................................................................... 442
17.2.2..Многоатомные.и.высшие.спирты,.входящие.в.состав.липидов..................... 444
17.3..Простые.липиды............................................................................................................................. 446
17.3.1..Воски..................................................................................................................................... 446
17.3.2..Церамиды............................................................................................................................. 447
17.3.3..Триацилглицеролы........................................................................................................... 448
17.4..Сложные.липиды............................................................................................................................ 453
17.4.1..Фосфолипиды.................................................................................................................... 454
17.4.2..Сфингофосфолипиды...................................................................................................... 457
17.4.3..Гликолипиды...................................................................................................................... 458
17.4.4..Взаимосвязь.строения.и.биологической.функции.сложных.липидов......... 460
17.4.5..Химические.свойства.сложных.липидов................................................................. 461
17.5..Неферментативное.пероксидное.окисление.липидов...
Антиоксидантные.системы......................................................................................................... 462
17.6..Эйкозаноиды.................................................................................................................................... 467
17.6.1..Простагландины................................................................................................................ 469
17.6.2..Тромбоксаны....................................................................................................................... 470
17.6.3..Лейкотриены....................................................................................................................... 472
17.6.4..Липоксины.......................................................................................................................... 473
17.7..Стероиды........................................................................................................................................... 474
17.7.1..Основы.стереохимии.стероидов.................................................................................. 474
17.7.2..Классификация.и.номенклатура.стероидов........................................................... 477
17.7.3..Эстрогенные.гормоны..................................................................................................... 479
17.7.4..Андрогенные.гормоны.................................................................................................... 480
17.7.5..Прегнановые.стероидные.гормоны............................................................................ 481
17.7.6..Желчные.кислоты............................................................................................................. 483
17.7.7..Производные.холестана.................................................................................................. 484
17.8..Терпены.и.терпеноиды................................................................................................................. 486
17.8.1..Монотерпены...................................................................................................................... 487
17.8.2..Дитерпены.и.тетратерпены........................................................................................... 489
17.8.3..Тритерпены..Биогенетическое.родство.терпенов.и.стероидов........................ 490

Литература.................................................................................................................................................. 492

Указатель...................................................................................................................................................... 493

Предисловие

Биоорганическая.химия.изучает.строение,.свойства.и.механизмы.превращений.органических.веществ,.участвующих.в.процессах.жизнедеятельности,.в.непосредственной.связи.с.их.биологическими.функциями..Дисциплина.занимает.
важное. место. в. системе. естественнонаучного. образования. специалистов. врачебного. профиля. и. в. комплексе. с. биологией,. биохимией. и. биофизикой,. физиологией,.фармакологией.и.другими.медико-биологическими.дисциплинами,.
способствует.формированию.знаний.об.основах.молекулярных.процессов.жизнедеятельности.
Становление. биоорганической. химии. как. учебного. предмета. цикла. естественнонаучных.дисциплин.подготовки.врачей.началось.с.1982.г.,.после.Всесоюзного.совещания.в.г..Суздале.заведующих.кафедр.химических.дисциплин.совместно.с.Всесоюзной.методической.комиссией.по.преподаванию.химических.
дисциплин.в.медицинских.высших.учебных.учреждениях.(председатель.—.профессор. Н.А.. Тюкавкина).. Тогда. и. была. утверждена. первая. программа. по. биоорганической. химии,. которая. начала. изучаться. в. медицинских. университетах.
вместо.органической.химии.
Осмысление.того,.что.«жизнь.—.это.особая.форма.существования.биополимерных.тел.(систем),.характеризующихся.хиральной.чистотой.и.способностью.
к.самоорганизации.и.саморепликации.в.условиях.постоянного.обмена.с.окружающей.средой.веществом,.энергией.и.информацией».(акад..В.И..Гольданский,.
1986),. делает. особо. значимой. фундаментальную. химическую. подготовку. студентов.медицинских.университетов.
Цель.данного.издания.—.дать.студентам.знания.об.общих.закономерностях.
строения,.свойствах.и.механизмах.химических.превращений.основных.классов.
поли-.и.гетерофункциональных.органических.соединений,.являющихся.участниками.процессов.обмена.в.клетке.и.структурными.единицами.биомакромолекул,.которые.выступают.структурными.элементами.клетки;.показать.логику.
биоорганической.науки,.изучающей.химические.процессы.как.in vitro,.так.и.in vivo,.
и,.опираясь.на.современные.теоретические.концепции.органической.химии,.сформировать.умения.прогнозировать.не.только.химические.свойства,.но.и.биологическую.активность.соединений.
Важнейшая. особенность. данного. учебного. пособия. —. сочетание. медицинской.направленности.органической.химии,.необходимой.для.понимания.сту.дентами-медиками.биологических.и.физиологических.процессов.на.молекулярном.
уровне,.с.современным.уровнем.научных.достижений.в.этой.области..Весомое.
место. в. учебнике. отведено. главам,. посвященным. структуре,. самоорганизации.
и.биологическим.функциям.биополимеров.(полисахаридов,.белков,.нуклеиновых.кислот)..Особое.внимание.уделяется.липидам,.низкомолекулярным.биорегуляторам,.а.также.органическим.соединениям,.применяемым.в.качестве.лекарственных.средств,.и.механизмам.их.рецепторного.действия.
Поскольку.в.учебных.планах.медицинских.университетов.не.предусмотрен.
курс.органической.химии.(кроме.фармацевтических.специальностей),.в.учебник.
включен.материал.по.теоретическим.основам.строения.и.реакционной.способ

Предисловие
11

ности.основных.классов.органических.соединений,.механизмам.их.химических.
превращений..Он.имеет.биологическую.и.медицинскую.направленность.и.служит.основой.для.понимания.студентами.более.сложного.материала.биоорганической.химии.
Данный.учебник.легко.может.быть.адаптирован.к.модульно-рейтинговой.технологии.обучения,.так.как.предлагаемый.материал.разделен.на.разделы.(блоки):
I..Теоретические.основы.органической.химии.
II..Биологически.важные.реакции.углеводородов.и.их.монофункциональных.
производных.
III..Поли-. и. гетерофункциональные. соединения,. участвующие. в. процессах.
жизнедеятельности.
Кроме. того,. он. может. рассматриваться. как. один. из. этапов. создания. электронного. учебника. по. биоорганической. химии,. поскольку. стремительное. внедрение. компьютерных. технологий. в. преподавание. учебных. дисциплин. делает.
весьма.актуальным.создание.электронных.учебных.изданий,.которые.могут.как.
использоваться. самостоятельно,. так. и. быть. интегрированы. в. интернет-простран.ство.
В.учебнике.обобщен.многолетний.опыт.обучения.студентов.на.кафедрах.органической.и.биоорганической.химии.Белорусского.государственного.медицинского.университета.и.Витебского.государственного.медицинского.университета.
(где.есть.фармацевтические.факультеты),.Гродненского.и.Гомельского.государственных.медицинских.университетов.—.на.кафедрах.общей.и.биоорганической.
химии.
Авторы. выражают. искреннюю. признательность. и. благодарность. рецензентам.—.кандидату.химических.наук.А.В..Лысенковой.и.кандидату.биологических.
наук. Н.М.. Орел,. а. также. своим. коллегам. за. квалифицированное. обсуждение.
нашей.работы.и.полезные.советы.при.ее.подготовке.к.изданию.

Авторы

Список сокращений

.
АДФ. —.аденозиндифосфат
.
АМФ. —.аденозинмонофосфат
.
АТФ. —.аденозинтрифосфат
.
АФК. —.активные.формы.кислорода
.
АЕ. —.реакции.электрофильного.присоединения
.
АN. —.реакции.нуклеофильного.присоединения
.
АR. —.реакции.свободнорадикального.присоединения
.
ВЖК. —.высшие.жирные.кислоты
.
ГАМК. —.γ-аминомасляная.кислота
.
ГДФ. —.гуанозиндифосфат
.
цАМФ. —.циклический.аденозин-3′,5′-монофосфат
.
ДНК. —.дезоксирибонуклеиновая.кислота
.
ДОФА. —.дигидроксифенилаланин
.
I. —.индуктивный.электронный.эффект
.
КоА. —.кофермент.(коэнзим).А
.
ЛДГ. —.лактатдегидрогеназа
.
ЛК. —.липоксины
.
ЛТ. —.лейкотриены
.
М. —.мезомерный.электронный.эффект
.
МО. —.молекулярные.орбитали
.
НАД+. —.окисленный.никотинамидадениндинуклеотид
. НАДН+Н+. —.восстановленный.никотинамидадениндинуклеотид
.
НАДФ+. —.окисленный.никотинамидадениндинуклеотидфосфат
.НАДФН+Н+.—.восстановленный.никотинамидадениндинуклеотидфосфат
.
НК. —.нуклеиновые.кислоты
.
ПВК. —.пировиноградная.кислота
.
ПВЖК. —.полиненасыщенные.высшие.жирные.кислоты
.
ПГ. —.простагландины
.
РНК. —.рибонуклеиновая.кислота
.
мРНК. —.матричная.РНК
.
рРНК. —.рибосомная.РНК
.
тРНК. —.транспортная.РНК
.
SAM. —.S-аденозилметионин
.
SE. —.реакции.электрофильного.замещения
.
SN. —.реакции.нуклеофильного.замещения
.
SR. —.реакции.свободнорадикального.замещения
.
ТХ. —.тромбоксаны
.
ФАД. —.окисленный.флавинадениндинуклеотид
.
ФАДН2. —.восстановленный.флавинадениндинуклеотид
.
ЭА. —.электроноакцепторные.заместители
.
ЭД. —.электронодонорные.заместители

Введение

Биоорганическая. химия. —. фундаментальная. наука,. изучающая. строение.
и.биологические.функции.важнейших.природных.органических.молекул.и,.в.первую.очередь,.биомакромолекул.и.низкомолекулярных.биорегуляторов..При.этом.
главное. внимание. уделяется. выяснению. закономерностей. взаимосвязи. между.
структурой.соединений.и.их.биологическим.действием.
Область.интересов.биоорганической.химии.необычайно.широка.и.захватывает.как.вещества,.выделяемые.из.объектов.живой.природы.и.играющие.важную.роль.в.обеспечении.процессов.жизнедеятельности,.так.и.синтетически.получаемые.новые.органические.соединения.или.модифицированные.природные,.
обладающие. биологической. активностью.. Установление. взаимозависимостей.
между.структурой.и.биологическими.эффектами.участников.процессов.обмена.
и.биорегуляторов.в.организме.позволит.в.перспективе.создавать.эффективные,.
избирательные. лекарственные. средства,. обладающие. способностью. изменять.
интенсивность. и. направленность. данных. процессов. и. управлять. такими. биопроцессами,.как.рост.и.деление.клеток,.регенерация,.воспаление,.апоптоз,.возбудимость. и. болевая. чувствительность,. деятельность. эндокринной. и. нервной.
систем,.злокачественный.рост.и.др.
Становление.биоорганической.химии.как.самостоятельной.науки.происходило.в.конце.1950-х.—.начале.1960-х.гг.,.когда.основными.объектами.исследований.химии.природных.соединений.и.биологии.стали.четыре.класса.органических. соединений,. играющих. важнейшую. роль. в. жизнедеятельности. клеток.
и.организма,.—.белки,.нуклеиновые.кислоты,.полисахариды.и.липиды..Возникновение.и.формирование.биоорганической.химии.как.науки.связано.с.выдающимися. достижениями. химии. природных. соединений:. определение. строения.
и.искусственный.синтез.Ф..Сенгером.(1953–1956).полипептидного.гормона.инсулина;.искусственный.синтез.Дю.Виньо.(1953).полипептидного.гормона.гипофиза.вазопрессина;.открытие.Л..Полингом.(1954).α-спирали.как.одного.из.главных. элементов. полипептидной. цепи. в. белках;. установление. А.. Тоддом. (1957).
химического.строения.нуклеотидов.и.первый.синтез.динуклеотида;.расшифровка.
М..Ниренбергом,.Р..Холли.и.Х..Кораной.генетического.кода.(1967);.расшифровка.
структуры.и.синтез.Р..Вудвордом.(1960–1966).некоторых.сложных.природных.
соединений. (хинин,. кортизол,. хлорофилл,. резерпин,. тетрациклин,. цефалоспорин.и.др.).
Последующее. развитие. биоорганической. химии. связано. с. исследованием.
структуры.и.биологической.роли.ряда.природных.соединений:.алкалоидов,.стероидов,.антибиотиков,.простагландинов.и.низкомолекулярных.биорегуляторов..
В.настоящее.время.пристальное.внимание.химики-биоорганики.уделяют.изучению.взаимосвязи.пространственной.структуры.и.биологической.функции.биомакромолекул.—.нуклеиновых.кислот.и.белков..Кроме.того,.интенсивно.исследуются.углеводы,.в.том.числе.полисахариды.и.их.комплексы.с.белками,.а.также.
липиды. и. важнейшие. производные. липидов. —. оксилипины,. простагландины,.
лейкотриены.и.тромбоксаны,.не.только.как.компоненты.биологических.мембран,.
но.и.как.важные.биологически.активные.вещества.и.лекарственные.средства.

Введение
14

Более.двухсот.лет.назад.М.В..Ломоносов.предвидел,.что.«медик.без.довольного. познания. химии. совершенен. быть. не. может». («Слово. о. пользе. химии»,.
1751)..Это.утверждение.особенно.значимо.в.наше.время,.когда.стало.очевидно,.
что.взаимодействия.с.участием.сигнальных.биологически.активных.молекул.
управляют. процессами. жизнедеятельности,. что. вся. программа. жизнедеятельности.клетки.закодирована.на.молекулярном.генетическом.уровне.—.в.последовательности.нуклеотидов.в.структуре.нуклеиновых.кислот,.а.в.реализации.этой.
программы. основную. роль. выполняют. белки. —. ферменты.. От. стабильности.
генома.и.систем.реализации.закодированной.информации.зависят.надежность.
передачи.наследственной.информации.и.состояние.здоровья.индивида..Познание.
процессов.жизнедеятельности,.логики.живого.на.молекулярном.уровне.—.это.та.
основа,.на.которой.должна.строиться.вся.последующая.медико-биологическая,.
клиническая.и.профилактическая.подготовка.врача.
Изучение.химических.дисциплин.должно.быть.тесно.увязано.и.интегрировано.с.другими.дисциплинами.медико-биологического.профиля,.исследующими.
молекулярные. процессы,. лежащие. в. основе. жизнедеятельности. организмов.
и.протекающие.с.участием.органических.химических.молекул..Еще.А..Ленинджер,.известный.американский.ученый.и.педагог,.автор.фундаментального.учебника.«Биохимия..Молекулярные.основы.структуры.и.функции.клетки»,.говорил,.что.«все.живые.объекты.состоят.из.неживых.молекул»..Если.эти.молекулы.
выделить.и.изучить,.то.оказывается,.что.их.строение.и.свойства.подчиняются.
всем. физическим. и. химическим. законам,. определяющим. поведение. неживого.
вещества..Очевидно,.что.в.основе.любого.биологического.явления.лежит.определенный. физико-химический. процесс.. Но. вместе. с. тем. следует. подчеркнуть,.
что. материальная. основа. жизни. не. может. сводиться. ни. к. каким,. даже. самым.
сложным.химическим.образованиям.и.их.превращениям,.так.как.живые.организмы.обладают.рядом.специфических.свойств.
Реакции. органических. веществ. в. пробирке. (in vitro). представляют. собой.
сложные.многостадийные.процессы..Биологические.же.процессы,.которые.протекают. только. в. живых. системах. —. бактериях,. клетках. (in vivo). —. являются.
значительно.более.сложными,.так.как,.согласно.А..Ленинджеру:

ˆ
ˆ осуществляются.с.участием.органических.веществ,.имеющих,.как.правило,.особый.уровень.пространственной.организации;

ˆ
ˆ характеризуются.высокой.специфичностью,.так.как.протекают.с.участием.
молекул.ферментов.и.в.силу.этого.отличаются.очень.высокой.скоростью;

ˆ
ˆ для.их.протекания.(активации).необходимы.сигнальные.молекулы.и.энергия.аденозинтрифосфата.(АТФ).или.гуанозинтрифосфата.(ГТФ);

ˆ
ˆ биологические.процессы.саморегулируются,.в.том.числе.и.с.участием.генома.клетки,.и.направлены.на.поддержание.гомеостаза.в.условиях.постоянного.
взаимодействия.и.обмена.с.окружающей.средой.
Кроме.того,.биологические.процессы.имеют.и.другие.особенности,.например.
способность.к.самоорганизации.и.самообновлению,.к.росту.и.развитию,.к.самовоспроизведению.

Введение
15

Так.в.чем.же.разница.между.химическими.и.биологическими.процессами?.
В.первую.очередь.следует.учитывать,.что.в.ходе.химических.процессов.в.органических.молекулах.подвергается.изменению.ограниченное.число.реакционных.
центров.—.обычно.один..И.в.то.же.время.сложные.по.структуре.макромолекулы.
биополимеров.—.белков.или.нуклеиновых.кислот.—.имеют.большое.число.функциональных.групп.(–NH–,.–NH2,.–COOH,.–OH,. СO,.–SH,.=N–.и.т.д.),.в.которых.есть.разные.реакционные.центры,.привносящие.в.молекулу.присущие.им.
характерные.химические.свойства..Однако.очевидно.и.то,.что.у.природных.макромолекул. появляются. новые. качества,. которые. известный. российский. биохимик.Б.Д..Березин.называет.«функциями»..Эти.«функции».обусловлены.особенностями.пространственной.организации.макромолекул,.а.также,.достаточно.
часто,.образованием.надмолекулярных.структур..В.результате.макромолекулы.
биополимеров,.стремясь.к.термодинамически. выгодному.состоянию,. самопроизвольно.приобретают.различные.конформации:.α-спирали,.β-складчатые.слои,.
двойные.спирали,.глобулы.и.другие.структуры,.имеющие.внешнюю.гидрофильную. поверхность. (обращенную. в. водную. среду). и. внутреннюю. гидрофобную.
часть,. представленную. каналами,. впадинами. и. полостями. разной. формы.. Это.
приводит.к.маскировке.большинства.реакционных.центров,.чаще.всего.углеводородными. фрагментами,. и. к. существенному. снижению. их. реакционной. способности.
Таким. образом,. сложная. форма. биомакромолекул. и. их. ансамблей,. защита.
гидрофильных.реакционных.центров.гидрофобными.углеводородными.радикалами,.необходимость.в.энергии.активации.накладывают.ограничения.на.протекание. в. живых. клетках. чисто. химических. реакций.. Назовем. лишь. некоторые.
из. таких. реакций:. неферментативное. гликозилирование. белков. углеводами,.
перекисное.окисление.липидов.и.некоторые.менее.изученные.реакции.
Биохимические.реакции.протекают.с.участием.биокатализаторов.—.ферментов,.поэтому.протекают.лишь.определенные,.а.не.все.теоретически.возможные.
химические.реакции..Причем.эти.реакции.значительно.(в.сотни.и.тысячи.раз).
ускоряются,.хотя.в.организме.человека.большинство.из.их.протекает.при.рН,.
близкой.к.нейтральной.(7,34.±.0,2),.температуре.тела.36,6.°С.и.нормальном.атмосферном.давлении;.многие.биологические.и.ферментативные.процессы.нуждаются.в.энергии.АТФ..Ферментативные.реакции.протекают.почти.со.100%-ным.
выходом.и.без.образования.побочных.продуктов..Это.возможно.благодаря.способности.фермента.на.молекулярном.уровне.«узнавать».свой.субстрат,.который.
образует.комплементарное.переходное.состояние.с.активным.центром.фермента,.
и.тому,.что.в.процессах.метаболизма.в.клетке.принимают.участие,.как.правило,.
только.субстраты.с.определенной.конфигурацией.
Особенностью.биоорганического.подхода.к.изучению.процессов.жизнедеятельности. является. использование. молекулярных. моделей. —. синтетических.
пептидов,.нуклеотидов,.других.биологически.значимых.молекул.и.биорегуляторов,.их.модифицированных.аналогов,.проведение.исследований.как.in vivo,.так.
и.in vitro..Такой.подход.позволяет.рассматривать.отдельно.параметры,.которые.

Введение
16

в.биологических.системах.находятся.в.едином.целом,.что.затрудняет.выявление.
закономерностей.и.корреляций.
Таким.образом,.биоорганическая.химия.—.тот.«молекулярный.химический.
инструмент»,.который.в.комплексе.с.подходами.других.медико-биологических.
дисциплин.(биохимией,.фармакологией,.нормальной.физиологией.и.др.).позволяет.не.только.узнать,.но.и.понять,.почему.клетка,.ее.структуры,.макромолекулы,.биорегуляторы.устроены.и.функционируют.именно.так,.а.не.иначе.
Врач. должен. знать. физико-химические. свойства. и. структуру. соединений,.
так. как. они. определяют. особенности. распределения. в. организме. и. механизм.
действия.лекарственных.средств,.большая.часть.которых.—.органические.соединения.
Лекарственные.средства.—.это.химические.вещества.с.особенной.пространственной.организацией.и.химическими.свойствами,.благодаря.которым.они.способны.специфически.взаимодействовать.с.определенными.структурами.клетки.
и.изменять.течение.биохимических.и.физиологических.процессов.в.организме.
человека,.поэтому.одной.из.важнейших.задач.биоорганической.химии.является.
создание. лекарств,. аналогов. естественных. биорегуляторов. или. антиметаболитов,.позволяющих.управлять.процессами.жизнедеятельности.
Учитывая.вышеизложенное,.можно.сделать.вывод,.что.основная.цель.изучения.биоорганической.химии.—.формирование.системных.знаний.о.взаимосвязи.
между.пространственным.строением,.термодинамической.устойчивостью,.химическими.свойствами.и.функциями.природных.органических.соединений,.являющихся.метаболитами.и.структурными.компонентами.биологических.макромолекул.и.биорегуляторами.

Раздел I

ТеоРеТические основы 
оРганической химии

4

5

3

2

1
6