Билет №3

1. Физико-химические методы выделения и исследования органических соединений, имеющих значение для биомедицинского анализа (экстракция, хроматография, поляриметрия, инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия, масс-спектрометрия, ядерный магнитный резонанс).

Экстракция – процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов). Процесс экстракции включает 3 последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механического разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твёрдого вещества. Выделение экстрагированного вещества из экстракта и одновременно регенерация экстрагента производится дистилляцией, выпариванием, кристаллизацией, высаливанием и т. п.

Хроматография — физико-химический метод разделения компонентов жидких или газообразных смесей, основанный на распределении их между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна (стационарна), другая — подвижна (элюент) и непрерывно протекает через неподвижную фазу. Различают аналитическую хроматографию, используемую для анализа состава сложных смесей, и препаративную хроматографию, применяемую для выделения индивидуальных веществ. Хроматографические методы используются для разделения жидких и газообразных, органических и неорганических соединений различного состава в широком интервале концентраций. График изменения концентрации растворенного вещества на выходе из хроматографической системы называется хроматограммой. Неподвижной фазой в некоторых случаях является тонко измельченное или гранулированно-твердое вещество, помещенное в узкую стеклянную или металлическую трубку (колонку), подвижную фазу пропускают через колонку под давлением (колоночная хроматография). В других случаях неподвижной фазой может быть измельченное сорбирующее твердое вещество (например, силикагель), нанесенное тонким слоем на стеклянную пластинку (тонкослойная хроматография), или специальная хроматографическая бумага (хроматография на бумаге).

Поляриметрия — методы физических исследований, основанные на измерении степени поляризации света и угла поворота плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активные вещества. Угол поворота в растворах зависит от их концентрации; поэтому поляриметрия широко применяется для измерения концентрации оптически активных веществ. Поляриметрия даёт ценную информацию о природе заместителей в органических молекулах, о строении комплексных неорганических соединений.

Инфракрасная спектроскопия — раздел спектроскопии, изучающий взаимодействие инфракрасного излучения с веществами. При пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул или их отдельных фрагментов. При этом наблюдается ослабление интенсивности света, прошедшего через образец. Однако поглощение происходит не во всём спектре падающего излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах. Следовательно, длины волн (или частоты), при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп и других фрагментов, что широко используется в различных областях химии для установления структуры соединений. Экспериментальным результатом в ИК-спектроскопии является инфракрасный спектр — функция интенсивности пропущенного инфракрасного излучения от его частоты.

Ультрафиолетовая спектроскопия — раздел оптической спектроскопии, который включает получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в ультрафиолетовой области. Необходимые для исследования количества вещества невелики — около 0,1 мг. В связи с этим УФ-спектроскопия является одним из наиболее распространенных физико-химических методов исследования органических и неорганических соединений.

Масс-спектрометрия — метод исследования вещества, основанный на определении отношения массы к заряду ионов, образующихся при ионизации (образовании ионов из нейтральных атомов или молекул) представляющих интерес компонентов пробы. Один из мощнейших способов качественной идентификации веществ, допускающий также и количественное определение.

Ядерный магнитный резонанс — избирательное поглощение веществом электромагнитного излучения, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле. На явлении ЯМР основан метод изучения структуры и молекулярного движения в различных веществах, в т.ч. в биологических объектах. Применение ЯМР для структурных исследований основано на том, что помимо внешнего магнитного поля на ядро в веществе действуют различные внутренние поля. Они приводят к сдвигу частоты резонанса, расщеплению на несколько или множество резонансных линий, т.е. к образованию спектра ЯМР, к изменению формы линий, времени релаксации. Изучение спектров ЯМР позволяет сделать вывод о химической и пространственной структуре различных веществ без проведения химического анализа. В медико-биологических исследованиях метод ЯМР используют для установления структуры биологически активных веществ и изучения механизмов их действия. Важной особенностью метода, особенно для биологии и медицины, является низкая энергия используемых в ЯМР излучений, что существенно снижает их вредное воздействие на организм.

2. Аминокислоты, входящие в состав белков. Строение, номенклатура, стереоизомерия, кислотно-основные свойства, биполярная структура.

α-аминокислоты – гетерофункциональные соединения. Они обязательно содержат карбоксильную группу и аминогруппу, находящиеся у одного и того же углеродного атома. Названия α-аминокислот строятся по систематической номенклатуре, но обычно используют их тривиальные названия. Эти названия аминокислот чаще всего бывают связаны с источниками выделения или какими-то характерными свойствами (например, название «глицин» происходит от греч. «сладкий»). α-аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические. С учетом общего числа карбоксильных и аминогрупп в молекуле, аминокислоты подразделяются на нейтральные, основные и кислые. Нахождение у одного и того же атома водорода уже сам по себе предопределяет хиральность α-углеродного атома. Большинство аминокислот содержит один ассиметрический атом углерода и существует в виде двух оптических энантиомеров и одного рацемата. Исключения: изолейцин, треонин, цистин и гидроксипролин. Все природные аминокислоты принадлежат к L-ряду. Аминокислоты D-ряда называют неприродными (не используются для построения белков). Аминокислоты являются амфотерными соединениями, что обусловлено наличием функциональных групп кислотного и основного характера. В водном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной смеси биполярного иона, катионной и анионной форм молекулы. Положение равновесия зависит от pH среды

3. Напишите проекционные формулы стереоизомеров 3-гидроксибутановой кислоты.

CH₃ – CH – CH₂ – COOH

|

OH

CH₂COOH CH₂COOH

H OH HO H

CH₃ CH₃

D-форма L-форма

4. Докажите соответствие пурина критериям ароматичности. Обозначьте кислотные и основные центры в молекуле пурина.

Важнейшая конденсированная гетероциклическая система пурин состоит из двух сочлененных колец — имидазола и пиримидина. Пурин относится к ароматическим соединениям, он имеет плоский σ-скелет, его сопряженная система состоит из 10 р-электронов, включая неподеленную пару электронов атома N-7, что соответствует формуле Хюккеля (4n+2 при n=2). Пурин амфотерен благодаря имидазольному циклу и образует соли с сильными кислотами — за счет пиридиновых атомов азота и с основаниями — за счет NH-кислотного центра.

[ ] – основные центры, О – кислотные центры.

[ ] [ ]

^{[ ]} O

5. Структурной основой каких биологически важных веществ является пирокатехин (катехол)? Приведите формулу адреналина.

Пирокатехин

Пирокатехин (о-дигидроксибензол), называемый также катехолом, является структурным фрагментом многих биологически активных веществ, в частности катехоламинов, к которым относятся: адреналин (или эпинефрин), норадреналин (или норэпинефрин), дофамин.