представление о биологическом действии и метаболизме органических соединений

В организме человека протекает множество химических реакций, в которых участвуют разнообразные химические вещества. Эти вещества в большинстве своём яв­ляются естественными составляющими организма. Но в процессе жизнедеятельности в организм из внешней среды попадают также чужеродные данному орга­низму вещества. Эти вещества называются ксенобиотиками. В одних случаях ксенобиотики могут не обладать выраженной биологической активностью и не вызывать никаких видимых изменений в организме. В других же случаях, когда ксенобиотики, взаимодействуя с биологическими субстратами, изменяют течение биохими­ческих процессов в организме, они называются биологически активными веществами.

Среди биологически активных веществ выделяют физиологически актив­ные вещества — соединения, нормализующие функциони­рование организма, и лекарственные вещества — соединения, обладающие терапевтическим или профилактическим действием.

По химическим механизмам действия различные вещества можно разделить на две группы. В первую группу входят вещества, биологический эффект которых возникает в результате образования с биологическими макромолекулами (компонентами клеток) надмолекулярных комплексов, стабилизированных нековалентными связями (взаимодействие лиганд – рецептор). Во вторую — входят вещества, образующие с биологическими молекулами ковалентные связи. В первом случае взаимодействие обратимо и взаимодействующие молекулы ос­таются неизмененными, во втором случае происходит необратимое изменение взаимодействующих молекул.

Действие данного вещества на организм, вызываемые им эффекты, их длительность и интенсивность определяются хи­мической структурой его молекулы. При этом проникновение, распределение и выведение вещества оп­ределяются в первую очередь его способностью растворяться в жирах и воде, что обусловлено балансом липофильных и гидрофильных свойств вещества. Поэтому химические свойства и химическое строение определяют поведение и судьбу органического вещества в организме и вызываемые ими биологические эффекты.

Метаболизм (или биотрансформация) органических соединений — это изменение их химической структуры под действием различных биохимических систем организма. В результате биотрансформации ксенобиотиков (в т.ч. лекарст­венных веществ) образуются их производные, называемые ме­таболитами. Как правило, метаболиты представляют собой более полярные и более гидрофильные соединения. Более вы­сокая растворимость в воде метаболитов по сравнению с ис­ходным ксенобиотиком способствует их ускоренному выведе­нию из организма. Метаболизм ксенобиотиков (и лекарственных веществ) осуществляется в основном в печени и в меньшей степени в других внутренних органах (желудочно-кишечном тракте, легких, почках и некоторых других).

Например, основное направление метаболизма углеводородов в орга­низме человека и животных — это окисление (гл. 2.6). Скорости реакции окисления алканов незначительны. Конечными продуктами реакции являются соответствующие спирты, альдегиды (или кетоны) и далее кислоты.

Таким образом, метаболизм ксенобиотиков является функ­цией химической защиты организма, способствующей быстро­му выведению не свойственных организму веществ.

вопросы и упражнения

1. Объясните различие современных понятий «химическая структура» и «пространственное строение» молекулы.

2. Будет ли в молекуле этилена CH₂=CH₂ строгая sp ²-гибридизация атомных орбиталей углерода? Приведите хотя бы один пример углеводорода из школьного курса химии, в молекуле которого была бы строгая sp ²-гибридизация.

3. Каково пространственное строение молекул пропена СН₂=СН-СН₃ и пропина СН º С-СН₃ ?

4. Объясните малую прочность t-связи. Сравните её с прочностью p-связи.

5. Какие атомы или атомные группировки обладают положительным, а какие — отрицательным индуктивным эффектом: 1) -CH₂F, 2) -Li, 3) -NH₂, 4) -CHF₂, 5) -CF₃, 6) -I, 7) -PH₂, 8) -CH₃, 9) -Na, 10) -CH₂OH, 11) -CCl₃, 12) -SH, 13) -NO₂, 14) -⁺PH₃, 15) -MgBr, 16) -CHCl₂, 17) -Cl, 18) -BH₂, 19) -CH=O, 20) -OH, 21) -C₂H₅, 22) -CdCl, 23) -CH₂Cl, 24) -CH₂CH₂CH₂CH₃?

6. Будет ли частичный положительный заряд на атоме углерода в трихлорметане СНCl₃ в три раза больше, чем в хлорметане СН₃Cl? Поясните.

7. Как вы понимаете смысл устоявшихся химических терминов «брёнстедовская кислота» и «кислота Льюиса»? Существует ли между ними различие? В чём оно заключается?

8. Какие атомы углерода являются хиральными центрами в следующих структурах: 1) СН₃-СНF-СН₂F; 2) СН₃-СНFBr; 3) СН₃-СНF-СН₂-СН₃;
4) СН₂Br-СНF-СН₃?

9. Изобразите при помощи формул Фишера оптические изомеры, соответствующие следующим структурным формулам: 1) CH₃-CH(OH)-CH₂OH, 2) ClCH₂-CHOH-CH₂Br, 3) HOCH₂-CH(NH₂)-CH(OH)-COOH. Определите их абсолютную конфигурацию.

10. В каких случаях общее число оптических изомеров может быть меньше определяемого по формуле N = 2ⁿ ? Изобразите с помощью проекционных формул Фишера все оптические изомеры винной кислоты
HOOC-CHOH-CHOH-COOH.

11. Дайте названия для следующих углеводородов с учётом их стереоизомерии:

а)	б)

12. При помощи формул Ньюмена изобразите конформеры вещества
СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ относительно связи С₂–С₃ . Сравните их устойчивость.

13. Изобразите проекции Ньюмена наиболее стабильных конформаций следующих соединений: а) (3 R, 4 R)-3, 4-диметилгексан, б) (3 R, 4 S)-3, 4-диметилгексан.