Биоорганическая химия

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

Л. А. Франк

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Учебное пособие 

Красноярск 
СФУ 
2018

УДК 577.1(07)
ББК 28.072я73
Ф833

Р е ц е н з е н т ы: 
В. А. Кратасюк, доктор биологических наук, зав. кафедрой биофизики Института фундаментальной биологии и биотехнологии СФУ;
Т. А. Верещагина, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН

Франк, Л. А. 
Ф833 
 
Биоорганическая химия : учеб. пособие / Л. А. Франк. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2018. – 174 с.
ISBN 978-5-7638-3875-6

Рассмотрены строение и свойства важнейших биологических молекул – 
биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, смешанных 
биополимеров), их структурных компонентов, а также низкомолекулярных 
биологически активных соединений. Показаны закономерности и связи между 
строением органических соединений и их биологической функцией. Изложены принципы ряда основных методов, применяемых в биоорганической химии 
для изучения структуры и свойств биомолекул.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Биология», профили подготовки: 06.03.01.07 «Биофизика»; 06.03.01.08 «Биохимия»; 
06.03.01.10 «Биоэкология»; 06.03.01.11 «Биоинженерия и биотехнология».

Электронный вариант издания см.: 
УДК 577.1(07)

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 28.072я73

ISBN 978-5-7638-3875-6 
© Сибирский федеральный
университет, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .......................................................................................................5
Глава 1.  Белки: строение, свойства, функции .................................. 16
1.1.  Аминокислоты ................................................................................... 16
1.1.1. Строение, номенклатура, свойства ........................................ 16
1.1.2. Кислотно-оснóвные свойства аминокислот ......................... 22
1.1.3. Стереоизомерия α-аминокислот ............................................ 27
1.1.3. Химические свойства аминокислот ...................................... 31
1.2. Пептидная связь, пространственная организация  
полипептидов..................................................................................... 34
1.3.  Связь пространственная структура – функция белка .................... 44
1.4.  Определение первичной структуры белка ...................................... 55
1.5.  Химический синтез пептидов .......................................................... 67
Задачи и упражнения  ............................................................................... 73
Контрольные вопросы и задания ............................................................. 77
Библиографический список ..................................................................... 78

Глава 2.  Нуклеиновые кислоты .......................................................... 79
2.1.  Нуклеиновые основания, нуклеозиды, нуклеотиды ...................... 80
2.2.  Строение молекулы ДНК ................................................................. 85
2.3.  Третичная структура ДНК ................................................................ 88
2.4.  Денатурация ДНК ............................................................................. 90
2.5.  Рибонуклеиновые кислоты .............................................................. 91
2.6.  Особые нуклеотиды .......................................................................... 94
2.7.  Определение первичной структуры ДНК ....................................... 95
2.8.  Химический синтез олигонуклеотидов......................................... 103
2.9.  Синтетические олигонуклеотиды с особыми свойствами .......... 109
Задачи и упражнения .............................................................................. 111
Контрольные вопросы и задания ........................................................... 115
Библиографический список ................................................................... 117

Глава 3.  Углеводы ................................................................................. 118
3.1.  Моносахариды ................................................................................. 119
3.2.  Химические свойства моносахаридов .......................................... 126
3.3.  Полисахариды ................................................................................. 130
3.4.  Гликоконъюгаты: протеогликаны и гликопротеины .................... 136

Оглавление

3.5.  Анализ структуры углеводов ......................................................... 141
Задачи и упражнения  ............................................................................. 144
Контрольные вопросы и задания ........................................................... 147
Библиографический список ................................................................... 147

Глава 4.  Липиды ................................................................................... 148
4.1.  Запасные липиды ............................................................................ 148
4.2.  Структурные липиды ...................................................................... 155
4.3.  Определение структуры липидов .................................................. 160
4.4.  Неомыляемые липиды .................................................................... 166
Задачи и упражнения .............................................................................. 169
Библиографический список ................................................................... 171

Заключение ............................................................................................. 172

ВВЕДЕНИЕ

Биоорганическая химия – это фундаментальная наука, которая 
изучает компоненты живой материи, устанавливая связь между строением и функцией важнейших биомолекул. Объектом ее изучения являются макромолекулы – биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, 
углеводы, липиды), биополимеры смешанного типа (гликопротеины, 
нуклеопротеины, липопротеины и пр.), а также низкомолекулярные соединения, выполняющие важные биологические функции, как правило, 
регуляторного характера (гормоны, витамины, токсины, антибиотики 
и пр.). Фактически биоорганическая химия охватывает химию всех веществ живой природы, представляя собой химический фундамент современной биологии.
Основными задачами биоорганической химии являются:
• выделение объекта в индивидуальном состоянии;
• установление его структуры;
• проведение химического синтеза или направленной модификации для подтверждения структуры соединения, выявления связи структура-функция, а также получения практически ценных продуктов;
• тестирование in vivo и in vitro.
Возникнув на стыке нескольких дисциплин – органической и физической химии, биологии и физики, биоорганическая химия для решения своих задач использует практически весь арсенал современных 
методов исследования: химические, физические, физико-химические, 
биологические, математические.
Круг интересов этой науки чрезвычайно широк – только перечисление всех веществ, находящихся в живой природе, и описание их 
свойств составляет громадный объем информации, иногда представляющей интерес лишь для узких специалистов. В рамках данного курса 
будут изложены основы биоорганической химии важнейших биомолекул – белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов, а также ряда 
биологически активных низкомолекулярных соединений.
Прежде чем приступить к изучению биологических макромолекул, необходимо вспомнить некоторые основные положения органической химии.

Введение

Углеводороды – соединения, в состав которых входят 2 элемента – углерод и водород. В зависимости от строения все они делятся на 
два основных класса – алифатические и ароматические углеводороды. 
Алифатические углеводороды, в свою очередь, делятся на 4 основных 
класса – алканы, алкены, алкины и их циклические аналоги (циклоалканы, циклоалкены, циклоалкины). Предельные углеводороды – алканы, 
имеют общую формулу СnH2n+2. Номенклатура (названия) этих соединений лежит в основе номенклатуры всех органических соединений. Это 
метан, этан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан, додекан 
и др. для значений n = 1, 2,…11 и т. д. соответственно. Изучая строение 
этих соединений, вы узнали, что атом углерода в них образует 4 равнозначных энергетически ковалентных связи, несмотря на то, что его 
внешняя электронная оболочка содержит энергетически разные электроны – 2s22p2. Оказалось, что в предельных углеводородах эти электроны находятся на «обобществленных», энергетически равнозначных sp3гибридных орбиталях, направленных от ядра к углам тетраэдра (рис. 1).

Отсюда следует пространственное расположение ковалентных 
связей, образуемых этими электронами: атом углерода находится в центре тетраэдра, а четыре его заместителя – в углах тетраэдра. Плоские 
углы между орбиталями составляют около 109°, что показано на при
Рис. 1. Электроны на внешней оболочке атома углерода находящиеся на энергетически 
равных гибридных орбиталях sp3-типа. Направление ковалентных связей в алканах 
на примере молекулы пропана

Введение

мере молекулы пропана на рис. 1. Изображая структуры органических 
молекул на плоскости, мы всегда помним, что часть связей направлена 
за плоскость рисунка, а часть – к читателю, над плоскостью рисунка.
Изучая структурные особенности этих соединений, вы встретились с понятием изомерии – случаями, когда соединения имеют одинаковую брутто-формулу, но разные пространственные структуры. Для 
углеводородов характерны изомерия углеродного скелета, а также варианты структур, связанные с вращением атомов вокруг ковалентных 
δ-связей С–С – разные конформационные состояния. Вращение вокруг 
одинарных связей свободное, однако из-за стерических препятствий радикалов или электростатического отталкивания протонов существуют 
более или менее энергетически выгодные положения. Примеры таких 
пространственных изомеров приведены на рис. 2.

Пространственные изомеры отличаются по структуре и потому 
обладают различными физическими свойствами (температурой плавления, кипения и пр.), а также химической реакционной способностью 
(направление реакций в ту или иную сторону и, как следствие, образование разных продуктов). Еще один вариант устройства углеродного 

Рис. 2. Изомерия углеводородного скелета. Конформации этана

Введение

скелета – это циклические углеводороды (рис. 2), когда атомы углерода 
соединены в цикл (общая формула циклоалканов совпадает с формулой 
алкенов – СnH2n). Самым маленьким циклом является, естественно, циклопропан. Отметим, что 3-х и 4-членные циклоалканы – соединения 
неустойчивые, поскольку углы между атомами С в них существенно отличаются от 109°.
Особым случаем изомерии является так называемая пространственная изомерия или энантиомерия. Энантиомеры – это молекулы, 
представляющие собой зеркальные отражения друг друга, которые невозможно совместить путем вращения или перемещения в пространстве, не 
допуская разрыва связей (рис. 3), – показано вращение поляризованного 
света на угол α при его прохождении через раствор оптически активного 
вещества. Все физико-химические свойства энантиомеров одинаковы за 
исключением способности вращать плоскополяризованный свет в разные 
стороны. Эту способность называют оптической активностью.

Различия в химических свойствах энантиомеров наблюдаются 
только в реакциях с оптически активными реагентами. Оптически активными являются соединения, в которых есть хотя бы один атом углерода с четырьмя различными заместителями (атомами или группами 

Рис. 3. Оптические изомеры, представляющие собой зеркальное 
отображение друг друга

Введение

атомов). Этот атом углерода называют хиральным центром. Оптическая 
изомерия очень важна при рассмотрении биологических молекул, в чем 
мы убедимся далее при изучении белков и углеводов.
Непредельные углеводороды – алкены (общая формула СnH2n, 
n ≥ 2) и алкины (общая формула СnH2n–2, n ≥ 2) – соединения, в которых 
часть электронов внешней оболочки углерода не образуют ковалентной связи с другими атомами, а находятся в сопряжении друг с другом. 
При этом остальные электроны, образующие сигма-связи, пространственно и энергетически находятся на sp2-гибридных орбиталях или spгибридных орбиталях (рис. 4). Графически это изображается двойными 
или тройными связями, которые образуются за счет перекрытия орбиталей (называемых π-орбиталями) этих «свободных» электронов. Для 
обозначения этих соединений используют названия соответствующих 
алканов с суффиксами -ен (этилен, пропилен и т. д.) или -ин (этин, более 
известный как ацетилен, пропин и т. д.).

Рис. 4. Образование двойных и тройных связей. Цис-транс изомерия 
и полимеризация этилена

Введение

Характерным свойством непредельных углеводородов, которое 
отличает их от алканов, является способность вступать в реакцию присоединения по двойным и тройным связям. Одной из важных реакций непредельных соединений является реакция полимеризации, в результате 
которой из множества одинаковых молекул образуются очень большие 
молекулы – полимеры, состоящие из повторяющихся звеньев – мономеров (см. рис. 4). Важнейшие биологические молекулы – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы – являются полимерными молекулами.
Изучая свойства непредельных углеводородов, вы познакомились 
с другим видом изомерии, а именно геометрической цис-транс изомерией, которая обусловлена наличием кратных связей С=С, запрещающих 
свободное вращение атомов и радикалов вокруг них (см. рис. 4)

Особое место среди непредельных углеводородов занимают ароматические соединения – арены. Это циклические соединения с несколькими (в случае бензола – тремя) двойными связями, которые 
образуют общую систему сопряженных π-электронов (рис. 5). Ароматические соединения в силу своего строения обладают рядом физикохимических свойств, отличающих их от циклических непредельных со
Рис. 5. Структура молекулы бензола, правила Хюккеля

Введение

единений: склонностью к реакции замещения вместо присоединения, 
характерными спектрами поглощения УФ и видимого света и пр. Помимо циклического строения (все атомы цикла должны лежать в одной 
плоскости) характерным признаком ароматических соединений является количество делокализованных р-электронов – их должно быть 4n + 2, 
и все они должны быть в общей системе сопряжения (правила Хюккеля). Ароматическими могут быть и гетероциклы, например, пиридин 
и пиррол, показанные на рис. 5. Определите, пожалуйста, отвечают ли 
они правилам Хюккеля?
Вспомним соединения, содержащие помимо углерода и водорода 
кислород: спирты, карбонильные (альдегиды и кетоны) и карбоксильные 
соединения – карбоновые кислоты (рис. 6, показаны диссоциация карбоновых кислот с образованием протона (в водной среде он находится 
в виде иона гидроксония Н3О+), а также реакция этерификации – взаимодействие спиртов и карбоновых кислот с образованием сложных эфиров).

Рис. 6. Общие структурные формулы спиртов, карбонильных 
и карбоксильных соединений

Введение

Спирты – соединения общей формулы R–OH, где R – углеводородный остаток, ОН – гидроксильная группа, являющаяся функциональной 
и определяющей свойства, характерные для данного класса соединений. 
К названию этих соединений добавляют суффикс -ол (метанол, этанол 
и т. д.). Соединения, в которых гидроксильная группа непосредственно связана с ароматическим кольцом, называются фенолами, их свойства сильно 
отличаются от свойств алифатических спиртов. Спирты проявляют свойства оснований, присоединяя протон в присутствии сильных кислот c образованием соединений R–OH2
+. В то же время атом кислорода обладает 
высокой электроoтрицательностью, что приводит к поляризации связи в гидроксильной группе: С–Oδ––Hδ+. В присутствии сильных оснований (например щелочных металлов) они проявляют кислотные свойства и образуют 
соответствующие соли (алкоголяты) формулы R–C–O–Me+. В присутствии 
сильных кислот спирты проявляют свойства оснований, присоединяя протон c образованием соединений R–OH2
+. Таким образом, в зависимости от 
условий спирты могут быть как кислотами, так и основаниями.
Рассмотрим подробнее вопрос о кислотности и оснóвности химических соединений. Существует несколько определений терминов кислота и основание. В рамках нашего курса мы будем использовать положения, изложенные в теории Брёнстеда – Лоури. Согласно этой теории 
кислота – это вещество, которое в процессе реакции является донором 
протона Н+ (т. е. отдает катион водорода Н+), а основание – вещество, 
которое в процессе реакции является акцептором протона (т. е. присоединяет катион водорода Н+).
Важно при этом отметить следующее:
1. Кислотами и основаниями могут быть как нейтральные, так 
и заряженные молекулы и частицы.
2. Некоторые соединения в разных реакциях могут выступать 
либо в роли кислоты, либо в роли основания.
Свойство быть кислотой либо основанием вещество проявляет 
только в реакции с другим соединением.
Соединение проявляет свойства кислоты или основания в зависимости от партнера, с которым он вступает в реакцию. Такие пары веществ называют сопряженными кислотами или основаниями
Рассмотрите внимательно примеры, приведенные на рис. 7, и найдите среди них подтверждения этих положений.