А. Важнейшие классы соединений

Подавляющее большинство биомолекул являются производными более простых соединений четырех химических элементов-неметаллов: кислорода (О), азота (N), серы (S) и фосфора (P). Многие биохимически важные соединения кислорода, азота и серы могут рассматриваться как производные водорода (Н₂О, NH₃, H₂S). В биологических системах фосфор встречается главным образом в форме производных фосфорной кислоты H₃PO₄.

При замене одного или нескольких атомов водорода в указанных выше соединениях на группировку R, например на алкильную группу, получают производные типа R-XH_n-1, R—XH_n-2—R' и т.д. Так, например, спирты (R-OH) и простые эфиры (R-O-R') формально можно рассматривать как производные воды, первичные (R—NH₂), вторичные (R-NH-R') и третичные (R-N==R'R") амины -как производные аммиака, а тиоспирты (R-SH) - как производные сероводорода. Многие органические вещества содержат полярные группировки, такие, как —ОН и —NH₂. Поскольку эти группировки существенно более реакционноспособны по сравнению с углеводородными боковыми цепями, они носят название функциональных групп.

Новые функциональные группы образуются при окислении приведенных выше соединений. Так, при окислении тиоспиртов образуются дисульфиды (R—S-S—R'), при окислении первичных спиртов (RCH₂-OH) - альдегиды ((R—СО—H), а затем карбоновые кислоты (R-COOH), а при окислении вторичных спиртов - кетоны (R-CO-R'). Для этих кислородсодержащих соединений характерно наличие карбонильной группы (С==О).

Присоединение спиртов по карбонильной группе альдегидов приводит к образованию полуацеталей (R-O-CHOH-R'). Примеры полуацеталей - циклические формы моносахаридов (см. с. 42). Окисление полуацеталей приводит к получению эфиров карбоновых кислот.

Особенно важное значение имеют карбоновые кислоты и их производные, которые формально образуются путем замены OH-группы на другие группировки. В действительности они получаются в результате нуклеофильного замещения активированных промежуточных соединений с отщеплением молекулы воды (см. с. 30). Так, из карбоновых кислот и спиртов образуются сложные эфиры (R—О—СО—R'), например жиры (см. с. 54). Аналогичным образом из карбоновых кислот и тиоспиртов получаются тиоэфиры (R—S—CO-R'). Последние играют важную роль в метаболизме карбоновых кислот. Известным соединением этого типа является ацетилкофермент А (ацетил-КоА) (см. с. 58).

Продуктом конденсации карбоновых кислот и первичных аминов являются амиды карбоновых кислот (R-NH-СО—R'). Поскольку остатки аминокислот в пептидах и белках связаны амидной связью, этот тип связи носит название пептидной (см. с. 72).

Фосфорная кислота Н₃РO₄ - трехосновная кислота, т. е. содержит три гидроксильные группы, способные отдавать три Н⁺-иона. В физиологических условиях по крайней мере одна из трех групп полностью диссоциирована. Другие две группы могут быть связаны со спиртами фосфоэфирной связью, образуя монозамещенные RO-PO(OH)₂ и, соответственно, дизамещенные эфиры RO-PO(OH)-OR' фосфорной кислоты. Монозамещенные эфиры принимают участие в метаболизме углеводов, афосфодиэфирные группы присутствуют в липидах (см. с. 56) и нуклеиновых кислотах (см. с. 88).

При взаимодействии двух молекул кислот образуются ангидриды, причем образование ангидридной связи требует больших затрат энергии. Поэтому фосфоангидридные связи играют очень важную роль в клетке, обеспечивая накопление и высвобождение химической энергии (см. с. 124). Смешанные ангидриды карбоновых и фосфорной кислот также являются макроэргическими соединениями, принимающими участие в клеточном метаболизме.