Элементарная биохимия
Биохимия - это сокращенное название биологической химии.
Давайте дадим определение, итак биохимия — это биологическая наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения и связь этих превращений с деятельностью органов и тканей. Совокупность процессов, неразрывно связанных с жизнедеятельностью, принято называть обменом веществ.
Самое значимое влияние на все науки в целом оказала именно биохимия.
Даже самые смелые прогнозисты не могли предположить, что достижения биологии (как в познавательном, так и в практическом плане) настолько превзойдут их прогнозы.
И то, что для нас сегодня обыденно совсем недавно было фантастикой.
Сейчас уже ученые могут проникнуть до составляющих в живой материи (надмолекулярных комплексов).
Исследование носителей жизнедеятельности (это нуклеиновые кислоты и белки) выходит на новый, более качественный, уровень.
Теперь совсем по-другому смотрят на такие проблемы как механизм хранения, передачи и реализации наследственной информации, преобразования материи и энергии в клетке, иммунитета, передачи нервных импульсов и восприятия клеткой сигналов и воздействий внешней среды, принципы гуморальной регуляции и многое другое.
Иным стало и изучение разнообразных регуляторов процессов, протекающих в клетках и тканях, гормонов, нейропептидов, простагландинов и т. п.
Были обнаружены совершенно новые проблемы, в которых фундаментальные познавательные задачи оказались сближенными с практическим приложением необычайно высокой эффективности. О чем может идти речь? О функционировании ферментов? Раскрытии механизмов фотосинтеза? Зрения? Нервной регуляции? А может о деятельности мозга? Или защиты от инфекций? И многого другого, включая важнейшую проблему манипулирования с генетическим материалом.
К чему это привело? К тому, что за совсем мизерный срок (по вселенским меркам) — двадцать пять лет, сущность биологии (ее структура) претерпела глобальные изменения.
Появление новых методов в химии и дальнейшее внедрение их в биологию содействовало тому, что формирующаяся биохимия оказалась среди биологических наук наилучшим образом подготовленной для разгадки тайн функционирования клетки.
Как раз благодаря этому она поднялась на качественно новый уровень, и уже не “служанки физиологии”. А представляет собой самостоятельную, методологически необычайно важную область биологии.
При помощи биохимии были найдены многие интересующие человека вопросы. Достижения биохимии в свое время помогли таким наукам как цитологии и генетике. Прогресс зависел от развития биохимических методик и концепций.
Как известно состав живых организмов не ограничивается водой, минеральными элементами, липидами и углеводами, в них входят еще ряд наиболее сложных органических соединений: белки и их комплексы с рядом других биополимеров (например, нуклеиновыми кислотами).
Была выявлена возможность спонтанного объединения большого числа белковых молекул с образованием сложных надмолекулярных структур. Таким примером может служить белковый чехол хвоста фага, некоторые клеточные организмы и т. д.
Что это дало? Разумный вопрос. Во-первых, это дало возможность ввести понятие о само собирающихся системах. Во-вторых, такого рода исследования предоставляют возможность решить проблемы образования сложнейших надмолекулярных структур, которые обладают признаками и свойствами живой материи, из высокомолекулярных органических соединений, возникших некогда в природе абиогенным путём.
В самостоятельную науку биохимия выделилась на рубеже 19 и 20 вв.
Вопросы, которые сейчас прерогатива биохимии раньше рассматривались органической химией и физиологией. Органическая химия, изучающая углеродистые соединения вообще, занимается, в частности, анализом и синтезом тех химических соединений, которые входят в состав живой ткани. Физиология же наряду с изучением жизненных функций изучает и химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности. Таким образом, биохимия является продуктом развития этих наук и её можно подразделить на две части: статическую (или структурную) и динамическую. Статическая биохимия занимается изучением природных органических веществ, их анализом и синтезом, тогда как динамическая биохимия изучает всю совокупность химических превращений тех или иных органических соединений в процессе жизнедеятельности. Динамическая биохимия, таким образом, стоит ближе к физиологии и медицине, чем к органической химии. Этим и объясняется то, что вначале биохимия называлась физиологической (или медицинской) химией.
Как всякая быстро развивающаяся наука, биохимия вскоре после своего возникновения начала делится на ряд обособленных дисциплин: биохимия человека и животных, биохимия растений, биохимия микробов (микроорганизмов) и ряд других, поскольку, несмотря на биохимическое единство всего живого, в животных и растительных организмах существуют и коренные различия в характере обмена веществ. В первую очередь это касается процессов ассимиляции. Растения, в отличие от животных организмов, обладают способностью использовать для построения своего тела такие простые химические вещества, как углекислый газ, вода, соли азотной и азотистой кислот, аммиак и др. При этом процесс построения клеток растений требует для своего осуществления притока энергии извне в форме солнечного света. Использование этой энергии первично осуществляют зелёные аутотрофные организмы (растения, простейшие, ряд бактерий), которые в свою очередь сами служат пищей для всех остальных так называемых гетеротрофных организмов (в том числе и человека), населяющих биосферу. Таким образом, выделение биохимии растений в особую дисциплину является обоснованным как с теоретической, так и с практической сторон.
Развитие ряда отраслей промышленности и сельского хозяйства (переработка сырья растительного и животного происхождения, приготовление пищевых продуктов, изготовление витаминных и гормональных препаратов, антибиотиков и т.д.) привело к выделению в особый раздел технической биохимии.
При изучении химизма различных микроорганизмов исследователи столкнулись с целым рядом специфических веществ и процессов, представляющих большой научно-практический интерес (антибиотики микробного и грибкового происхождения, различные виды брожений, имеющие промышленное значение, образование белковых веществ из углеводов и простейших азотистых соединений и т. д.). Все эти вопросы рассматривают в биохимии микроорганизмов.
В 20 веке возникла как особая дисциплина биохимия вирусов.
Потребностями клинической медицины было вызвано появление клинической биохимии.
Из других разделов биохимии, которые обычно рассматриваются как достаточно обособленные дисциплины, имеющие свои задачи и специфические методы исследования, следует назвать: эволюционную и сравнительную биохимию (биохимические процессы и химический состав организмов на различных стадиях их эволюционного развития), энзимология (структура и функции ферментов, кинетика ферментативных реакций), биохимию витаминов, гормонов, радиационную биохимию, квантовую биохимию (сопоставление свойств, функций и путей превращения биологически важных соединений с их электронными характеристиками, полученными с помощью квантово-химических расчётов).
Особенно перспективным оказалось изучение структуры и функции белков и нуклеиновых кислот на молекулярном уровне. Этот круг вопросов изучается науками, возникшими на стыках биохимии с биологией и генетикой.
История развития биохимии.
Можно выделить основные этапы развития биохимической науки.
Изучение живой материи с химической стороны началось с того момента, когда возникла необходимость исследования составных частей живых организмов и совершающихся в них химических процессов в связи с запросами практической медицины и сельского хозяйства. Исследования средневековых алхимиков привели к накоплению большого фактического материала по природным органическим соединениям. В 16-17 вв. воззрения алхимиков получили развитие в трудах ятрохимиков, считавших, что жизнедеятельность организма человека можно правильно понять лишь с позиций химии. Так, один из виднейших представителей ятрохимии – немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс выдвинул прогрессивное положение о необходимости тесной связи химии с медициной, подчёркивая при этом, что задача алхимии не в изготовлении золота и серебра, а в создании того, что является силой и добродетелью медицины. Ятрохимики ввели в медицинскую практику препараты ртути, сурьмы, железа и других элементов. Позже И. Ван-Гельмонт высказал предположение о наличии в “соках” живого тела особых начал, так называемых “ферментов”, участвующих в разнообразных химических превращениях.
В 17-18 вв. работали такие выдающиеся учёные как М.В. Ломоносов и А. Лавуазье, открывшие и утвердившие в науке закон сохранения материи (массы). Лавуазье внёс важнейший вклад в развитие не только химии, но и в изучение биологических процессов. Развивая более ранние наблюдения Майова, он показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Одновременно им же, вместе с Лапласом, было показано, что процесс биологического окисления является и источником животной теплоты. Это открытие стимулировало исследования по энергетике метаболизма, в результате чего уже в начале 19 века было определено количество тепла, выделяемого при сгорании углеводов, жиров и белков.
Крупными событиями второй половины 18 века стали исследования Р.Реомюра и Л.Спалланцани по физиологии пищеварения. Эти исследователи впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. Возникновение энзимологии (учение о ферментах), однако, обычно связывают с именами К.С. Кирхгофа, а также Пейена и Персо, впервые изучивших действие на крахмал фермента амилазы in vitro.
Важную роль сыграли работы Пристли и особенно Ингенхауса, открывших явление фотосинтеза (конец 18 века).
На рубеже 18 и 19 вв. были проведены и другие фундаментальные исследования в области сравнительной биохимии; тогда же было установлено существование круговорота веществ в природе.
Успехи статической биохимии с самого начала были неразрывно связаны с развитием органической химии.
Толчком к развитию химии природных соединений явились исследования шведского химика К. Шееле (1742-1786 гг.). Он выделил и описал свойства целого ряда природных соединений – молочную, винную, лимонную, щавелевую, яблочную кислоты, глицерин и амиловый спирт и др. Большое значение имели исследования И.Берцелиуса и Ю.Либиха, закончившиеся разработкой в начале 19 века методов количественного элементарного анализа органических соединений. Вслед за этим начались попытки синтезировать природные органические вещества. Достигнутые успехи – синтез в 1828 году мочевины, уксусной кислоты (1844 г.), жиров (1850 г.), углеводов (1861 г.) – имели особенно большое значение, так как показали возможность синтеза in vitro ряда органических веществ, входящих в состав животных тканей или же являющихся конечными продуктами обмена. Во второй половине 18 – начале 19 века были проведены и другие важные исследования: из мочевых камней была выделена мочевая кислота, из желчи – холестерин, из меда – глюкоза и фруктоза, из листьев зеленых растений – пигмент хлорофилл, в составе мышц был открыт креатин. Было показано существование особой группы органических соединений – растительных алкалоидов, нашедших позднее применение в медицинской практике. Из желатины и бычьего мяса путем их гидролиза были получены первые аминокислоты: глицин и лейцин.
Во Франции в лаборатории К. Бернара в составе ткани печени был открыт гликоген (1857), изучены пути его образования и механизмы, регулирующие его расщепление. В Германии в лабораториях Э. Фишера, Э. Ф. Гоппе-Зейлера, А. Косселя и других были изучены структура и свойства белков, а также продуктов их гидролиза, в том числе и ферментативного.
В связи с описанием дрожжевых клеток (1836-1838гг.) начали активно изучать процесс брожения (Либих, Пастер и др.). Вопреки мнению Либиха, рассматривавшего процесс брожения как чисто химический, протекающий с обязательным участием кислорода, Л. Пастер установил возможность существования анаэробиоза, то есть жизни в отсутствии воздуха, за счет энергии брожения. Бухнеру удалось получить из дрожжевых клеток бесклеточный сок, способный, подобно живым дрожжам, сбраживать сахар с образованием спирта и углекислоты.
Накопление большого количества сведений относительно химического состава растительных и животных организмов и химических процессов, протекающих в них, привело к необходимости систематизации и обобщений в области биохимии. Первой работы в этом плане был учебник Зимона (1842). Очевидно, именно с этого времени термин “биологическая (физиологическая) химия” утвердился в науке. В России первый учебник физиологической химии был издан профессором Харьковского университета А. И. Ходневым в 1847 году. Периодическая литература по биологической химии регулярно начала выходить с 1873 года в Германии. Позднее биохимические журналы начали издаваться во многих странах мира на английском, французском, русском и других языках. Во второй половине 19 века на медицинских факультетах многих русских и зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры медицинской, или физиологической химии.
Подлинный расцвет биохимии наступил в 20 веке. В самом начале его была сформулирована и экспериментально обоснована полипептидная теория строения белков (Э. Фишер 1901-1902гг.). Позднее был разработан ряд аналитических методов, позволяющих изучить аминокислотный состав белка (хроматография, рентгеноструктурный анализ, метод изотопной индикации, цитоспектрофотометрия, электронная микроскопия). Расшифровывается первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура многих белков. Синтезируется ряд важных белковых веществ.
Выдающееся значение имели работы Л. Полинга, В. Виньо, Ф. Сэнгера, С. Мура, Д. Филлипса, Дж. Нортропа, М. М. Шемякина, Ф. Штрауба и др.
Блестящие работы Чаргаффа, Дж. Уотсона и Ф. Крика завершаются выяснением структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Устанавливается двухспиральная структура ДНК и роль ее в передаче наследственной информации. Осуществляется синтез ДНК и РНК. Решается (1962 и последующие годы) одна из центральных проблем современной биохимии – расшифровывается РНК – аминокислотный код. Вводится понятие о молекулярных болезнях, связанных с определенными дефектами в структуре ДНК хромосомного аппарата клетки.
Ранее классическими исследованиями И. П. Павлова и его школы раскрываются основные физиологические и биохимические механизмы работы пищеварительных желез. Устанавливается существование заменимых и незаменимых аминокислот, разрабатываются нормы белка в питании. Детальному изучению подвергаются особенности процесса азотистого обмена у растений. Особое место заняло изучение нарушений азотистого обмена у животных и человека при белковой недостаточности. Детально исследуются продукты распада гемоглобина, расшифровываются пути образования гема.
Выдающиеся успехи достигнуты в расшифровке структуры важнейших углеводов и механизмов углеводного обмена. Подробно выяснено превращение углеводов в пищеварительном тракте под влиянием пищеварительных ферментов и кишечных микроорганизмов. Выясняются биохимические механизмы нарушения углеводного обмена (диабет, галактоземия, гликогенозы и др.), связанные с наследственными дефектами соответствующих ферментативных систем.
Достигнуты успехи в расшифровке структуры липидов: фосфолипидов, цереброзидов, ганглеозидов. Создается теория b -окисления жирных кислот. Разработаны современные представления о путях окисления и синтеза жирных кислот и сложных липидов. Значительный прогресс достигнут при изучении механизма биологического окисления, тканевого дыхания. Разработаны методы количественного определения целого ряда биохимических компонентов крови и тканей.
В. А. Энгельгардтом, а также Липманном было введено понятие о “богатых энергией” фосфорных соединениях, в частности АТФ, в макроэргических связях которых аккумулируется значительная часть энергии, освобождающейся при тканевом дыхании.
20 век ознаменовался расшифровкой химического строения всех известных в настоящее время витаминов. Вводятся международные единицы витаминов, устанавливаются потребности в витаминах человека и животных, создается витаминная промышленность.
Не менее значительные успехи достигнуты в области биохимии гормонов. Получены первые данные о механизме действия гормонов на обмен веществ. Расшифрован механизм регуляции функций эндокринных желёз по принципу обратной связи.
Возникает новое направление в биохимии – нейрохимия. Установлены особенности в химическом составе нервной ткани. Вводятся в медицинскую практику различные психофармакологические вещества, открывающие новые возможности в лечении нервных заболеваний. Широко используются, особенно в сельском хозяйстве ингибиторы холинэстеразы (медиатора, действующего на нервные окончания) для борьбы с насекомыми-вредителями.
Важные результаты получены при изучении состава и свойств крови: изучена дыхательная функция крови в норме и при ряде патологических состояний; выяснен механизм переноса кислорода от лёгких к тканям и углекислоты от тканей к лёгким; уточнены и расшифрованы представления о механизме свёртывания крови, изучены факторы, при врождённом отсутствии которых в крови наблюдаются различные формы гемофилии.
В развитии современной биохимии важную роль сыграла разработка ряда специальных методов исследования: изотопной индикации, дифференциального центрифугирования, спектрофотометрии, электронного парамагнитного резонанса и др.
Характеристика основных разделов элементарной биохимии.
Белки
В настоящее время установлено, что в живой природе не существует небелковых организмов.
Белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, образующие при гидролизе аминокислоты. В организме животных белков содержится до 40-50 % и более на сухую массу, у растений до 20-35%.Разнообразны и очень важны функции белков.
Строительная, структурная функция. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с липидами они являются основным структурным материалом всех клеточных мембран, всех органелл.
Каталитическая функция. Практически все биохимические реакции катализируются белками-ферментами.
Двигательная функция. Любые формы движения в живой природе (работа мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших) осуществляются белковыми структурами клеток.
Транспортная функция. Белок крови гемоглобин транспортирует кислород от легких к тканям и органам. Есть белки крови, транспортирующие липиды, железо, стероидные гормоны. Перенос многих веществ через клеточные мембраны осуществляют особые белки-переносчики.
Защитная функция. Важнейшие факторы иммунитета – антитела и система комплемента являются белками. Процесс свертывания крови, защищающий организм от чрезмерной кровопотери происходит с участием белков фибриногена, тромбина и других факторов свертывания, тоже являющихся белками. Внутренние стенки пищевода, желудка выстланы защитным слоем слизистых белков – муцинов. Основу кожи, предохраняющей тело от многих внешних воздействий, составляет белок коллаген.
Гормональная функция. Ряд гормонов по своему строению относится к белкам (инсулин) или пептидам (АКТГ, окситоцин, вазопрессин).
Опорная функция. Сухожилия, суставные сочленения, кости скелета образованы в значительной степени белками.
Запасная функция. Белки способны образовывать запасные отложения (овальбумин яиц, казеин молока, многие белки семян).
Белки имеют большое народнохозяйственное значение. Белки являются основными компонентами пищи человека и животных. Многие заболевания связаны с хроническим белковым голоданием. Технология многих производств основана на переработке белков, Изменении их свойств.
Структурными элементами белков являются аминокислоты.
Аминокислоты можно рассматривать как производные карбоновых кислот, в которых один из водородов углеродной цепи замещен на группу Nh3.
Строение белковой молекулы. Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной или амидной связью. Образование ее происходит за счет аминогруппы (Nh3)одной аминокислоты и карбоксильной (СООН) группы другой с выделением молекулы воды.
Структура молекулы белка имеет четыре уровня. Первичная структура белковой молекулы это порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи. Вторичная структура – это упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи, она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами. Третичная структура описывает пространственную укладку всей молекулы белка. В поддержании третичной структуры белка, ее закреплении принимают участие различные типы связей (ковалентные, ионные, водородные и гидрофобные взаимодействия). Под четвертичной структурой понимают способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в молекуле, характер связей между ними.
Все белки принято делить на две группы: простые, или протеины (состоят только из аминокислот), и сложные (в их молекуле помимо белковой части содержится и небелковая, простетическая): хромопротеины, липопротеины, нуклеопротеины и т. д.
Ферменты
Ферменты, или энзимы, - это катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах.
Являясь катализаторами – веществами, ускоряющими реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими, небиологическими катализаторами.
Для ферментов характерны и специфические свойства, отличающие их от химических катализаторов, выражающих их химическую природу.
При ферментативных реакциях в отличие от неферментативных наблюдаются лишь незначительные побочные процессы, для ферментативных реакций характерен почти 100% выход продуктов.
Согласно классификации, все ферменты разделяются на шесть классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций.
Ферментативные препараты находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В хлебопекарном производстве для ускорения гидролиза крахмала и улучшения качества теста используют амилазы. При приготовлении детской пищи с целью облегчения переваривания углеводов и белков исходные продукты обрабатываются амилазой и протеиназами. Специфические протеиназы используют в виноделии, в кожевенной промышленности, при производстве синтетических моющих средств. Ферменты используют как лекарственные средства: пепсин, трипсин, химотрипсин, лидаза, стрептокиназа…
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты – это сложные соединения, состоящие из пуринового или пиримидинового азотистого основания, моносахарида пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.
Нуклеиновые кислоты – важнейший компонент всех живых организмов, всех живых клеток. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков. Каждый живой организм содержит свои специфические белки, которыми он отличается то других организмов. Информация, определяющая особенности структуры белков, “записана” в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК. Все нуклеиновые кислоты делятся на два типа в зависимости от того, какой моносахарид входит в их состав; рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит рибозу, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит дезоксирибозу.
Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических, гетероциклических соединений – пурина и пиримидина. Среди пуриновых азотистых оснований главную роль играют аденин (А) и гуанин (Г), а среди пиримидиновых оснований – цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т). В состав ДНК входят аденин, цитозин, гуанин, тимин; в РНК вместо тимина присутствует урацил.
ДНК подобно белкам имеет первичную, вторичную и третичную структуру. Хромосомы животных, бактерий, вирусов содержат по одной непрерывной ДНК-спирали огромной длины по сравнению с размерами ядра. Более 99% ДНК клетки находится в ее ядре и около 1% в цитоплазме. Наследственная информация передается с помощью уникальной последовательности участков ядерной ДНК.
Содержащиеся в клетке РНК различаются размером, составом, функциями и локализацией. В цитоплазме содержится РНК нескольких видов: транспортная РНК (тРНК), информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК). В ядре локализована ядерная РНК (яРНК), количество которой составляет от 4 до 10% от суммарной клеточной РНК.
Синтез РНК, ДНК и белка очень сложные, взаимосвязанные процессы, которыми вплотную занимается такая наука, как генная инженерия. Основная задача генной инженерии – получение молекул ДНК in vitro, их размножение и введение в организм с целью получения новых наследственных свойств.
Углеводы
Углеводами называют альдегиды и кетоны многоатомных спиртов и полимеры этих соединений. В биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений вместе взятых. В растительном мире на их долю приходится 80-90% из расчета на сухое вещество. В животном организме углеводов содержится около 2% массы тела, но значение их одинаково велико для всех живых организмов, о чем свидетельствуют те важные функции, которые они выполняют.
Углеводы подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
К моносахаридам относятся углеводы и их производные, которые не способны расщепляться без потери основных углеводных свойств.
Олигосахариды гидролизуются с образованием небольшого числа моносахаридов (от 2 до 10).
Полисахариды (гликаны) представляют собой высокомолекулярные полимеры моносахаридов и их производных. Число остатков моносахаридных единиц в них от 10 до нескольких тысяч.
Образование углеводов происходит в растениях в процессе фотосинтеза и в микроорганизмах в процессе хемосинтеза.
Человек и животные не способны к первичному биосинтезу углеводов из неорганических веществ, они могут лишь образовывать их в процессе глюконеогенеза из других органических веществ (органических кислот, жиров, аминокислот), но главным источником углеводов является пища. Углеводы составляют существенную часть рациона человека и многих животных. На их долю приходится 60-70% общей суммы калорий пищи человека. Углеводы всасываются через слизистую оболочку кишечника только в виде моносахаридов. Для расщепления и переваривания крупных полисахаридов в пищеварительном тракте имеются десятки различных ферментных систем. В результате последовательного воздействия ферментов углеводы превращаются в моносахариды, они хорошо всасываются через кишечную стенку в кровь и разносятся по организму для выполнения своих функций.
Липиды
Липидами называются неоднородные в химическом отношении вещества, общим свойством которых является хорошая растворимость в неполярных органических растворителях: эфире, ацетоне, хлороформе, бензоле и т. п. По своему химизму липиды, в большинстве случаев, представляют собой сложные эфиры высших жирных кислот с глицерином или некоторыми другими спиртами специфического строения. В составе ряда липидов кроме этих компонентов встречаются фосфорная кислота, азотистые основания, или углеводы. В экстракте, полученном при обработке животных или растительных тканей органическими растворителями, присутствуют обычно высшие и полициклические спирты, жирорастворимые витамины, которые некоторые авторы также относят к классу липидов.
Липиды могут быть классифицированы следующим образом:
Функции этого класса соединений важны и разнообразны.
1. Прежде всего, липиды в виде комплекса с белками являются структурными элементами мембран клеток и клеточных органелл. В связи с этим они определяют транспорт веществ в клетки и участвуют в ряде других процессов, связанных с функционированием мембран.
2. Липиды служат также энергетическим материалом для организма. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии, т. е. В 2 раза больше, чем при расщеплении 1 г углеводов. Одновременно липиды являются запасными веществами, в форме которых депонируется метаболическое топливо. Определенное исключение в этом отношении составляют бактерии: у большинства из них накопление энергии осуществляется в нелипидной форме (гликоген) и только 9у некоторых видов – в форме поли-3-гидроксимасляной кислоты.
3. В связи с хорошо выраженными термоизоляционными свойствами липиды сохраняют тепло в организме, особенно у морских и полярных животных, выполняя тем самым защитную функцию. В виде жировой прокладки предохраняют тело и органы животных от механического повреждения, служат жировой смазкой для кожи. Восковой налет на листьях и плодах растений защищает от избыточного испарения и проникновения микроорганизмов. Липидные компоненты бактерий в значительной мере определяют их чувствительность или резистентность к антибиотикам. Некоторые из липидов имеют отношение к иммунитету (Гликолипиды).
4. Регуляторной активностью обладают простагландины, полипреноловые коферменты – переносчики. От свойств и структуры мембранных липидов во многом зависит активность мембраносвязанных ферментов, особенности протекания процессов окислительного фосфорилирования.
5. Будучи важнейшими компонентами нервных тканей, гликолипиды оказывают существенное влияние на функционирование нервной системы.
Липиды - важная составная часть пищи. Взрослому человеку требуется от 70 до 145 г жира в сутки в зависимости от трудовой деятельности, пола, климатических условий. Причем необходимы как животные, так и растительные жиры. Липиды являются высокоэнергетическими веществами, поэтому за их счет удовлетворяется 25-30% потребности человеческого организма в энергетическом материале. Кроме того, в составе животных жиров в организм поступают жирорастворимые витамины А, Д, К, Е, растительные жиры богаты непредельными жирными кислотами (витамин F), являющимися предшественниками простагландинов, исходным материалом для синтеза организмом фосфолипидов и других веществ.
Переваривание жира начинается в желудке, где находится фермент липаза. Основное расщепление липидов происходит в кишечнике, в первую очередь в двенадцатиперстной кишке под воздействием фермента поджелудочной железы липазы и желчи, поступающей из желчного пузыря. В результате ферментативного воздействия образуется очень тонкая жировая эмульсия, диаметр частиц которой не превышает 0,5 мкм. Такие эмульгированные жиры способны самостоятельно проходить через стенку кишечника и попадать в лимфатическую систему.
Витамины
Витамины – низкомолекулярные органические соединения, которые, присутствуя в пище в небольших количествах, являются незаменимыми ее компонентами, обеспечивают нормальное протекание биохимических и физиологических процессов путем участия в регуляции метаболизма. Витамины не включаются в структуру тканей человека и животных и не используются в качестве источника энергии.
Многие витамины представляют собой исходный материал для биосинтеза коферментов и простетических групп ферментов. В этом состоит одна из основных причин необходимости витаминов для нормального протекания обменных процессов.
Витамины делят на:
Для характеристики обеспеченности организма каким-либо витамином принято различать три ее формы: авитаминоз, гиповитаминоз, гипервитаминоз. Первый термин применяют в отношении комплекса симптомов, развивающихся в результате достаточно длительного, полного или почти полного отсутствия одного из витаминов. Под гиповитаминозом понимают состояние, характеризующее частичную, но уже проявившуюся специфическим образом недостаточность витамина. Гипервитаминоз – комплекс патофизиологических и биохимических нарушений, возникающих вследствие длительного избыточного введения в организм любого из витаминов.
Каждый гиповитаминоз имеет свои характерные симптомы. Например, недостаток витамина А вызывает снижение зрения в темноте (гемералопию) и сухость роговицы (ксерофтальмию). Гиповитаминоз Д вызывает рахит. При авитаминозе К появляются подкожные и внутримышечные кровоизлияния. Недостаточность витаминов группы В проявляется в нарушении функции нервной системы различного характера, анемии, болезнях кожи, замедлении роста и др. Основные симптомы С-витаминной недостаточности: ломкость кровеносных капилляров, общая слабость, утомляемость, цинга.
Элементарная биохимия изучает вышеописанные вещества, их взаимные превращения, биосинтез, роль в обмене веществ, регуляции метаболизма, значение для народного хозяйства, возможности их использования в промышленности.
Значимость биохимии как науки.
Сейчас уже не возможно представить не одну науку, которая бы не обходилась без достижений биохимии.
Значение биологической химии нельзя не учитывать. Она имеет как научное, так и практическое значение.
Фармацевтическая промышленность использует результаты биохимических исследований для производства различных препаратов: Витаминов, ферментов, кровоостанавливающих лекарств, антибиотиков и т. д.
В сельском хозяйстве биохимию используют для борьбы с насекомыми-вредителями, для создания удобрений, для селекции сортов растений и пород животных.
В генетике только благодаря использованию биохимических процессов и реакций возможно выделение генов, расшифровка генетического кода, воздействие на патологические гены с целью борьбы с генетическими заболеваниями.
В пищевой промышленность используют достижения биохимии для производства легко усваиваемого детского питания, для обработки продуктов, подлежащих консервированию, для производства кисломолочных продуктов (ферменты в производстве сыра).
Также биохимию использует такая наука как радиология. Есть даже отдельная наука – радиационная биохимия. Она изучает изменения обмена веществ, возникающие в организме при действии на него ионизирующего излучения.
Воздействие радиации на организм может вызвать биохимические процессы. Эти процессы могут привести к развитию лучевой болезни, рака, лейкозов, врождённых пороков развития у детей, бесплодия и ряд других заболеваний.
Соответственно можно полагать, что биохимия имеет большее влияние в медицине.
В современной практике врачи проводят биохимические исследования крови, мочи, желудочного сока, спинномозговой жидкости и др.
Теперь можно ставить диагноз сразу же после биохимических исследований, например, по таким заболеваниям как гепатита, почечной недостаточности, анемии, мочекаменной болезни, сахарного диабета и многих других.
Опираясь на изменения биохимических показателей, врачи назначают и корректируют дозы лекарственных средств. Что конечно же дает более быстрые результаты в борьбе с заболеванием.
Перспективы развития биохимии.
Уровень и методы нынешней медицины определяет биохимия. Так же, возможно, эта наука определяет и ее возможный дальнейший прогресс.
Приоритетной задачей биохимии и молекулярной биологии является полная расшифровка и корректировка дефектов генетического аппарата.
Еще одной из приоритетных задач является овладение механизмом регуляции считки генетической информации, закодированной в ДНК, и дальнейшей расшифровки на молекулярном уровне механизма клеточной дифференцировки в онтогенезе. Есть еще одна проблема, это терапия ряда вирусных заболеваний (например, лейкоза). Эта проблема будет оставаться проблемой, пока не будет полностью ясен механизм взаимодействия вирусов (таких как онкогенных) с инфицируемой клеткой. В данное время множество лабораторий по всему миру занято этой проблемой.
Список литературы.
ref.repetiruem.ru
Биохимия
Биохимия, наука, которая описывает на языке химии строение и функции живых организмов. Биохимические концепции находят применение в медицине, пищевой, фармацевтической и микробиологической промышленности, сельском хозяйстве, а также в перерабатывающей промышленности, использующей отходы и побочные продукты сельского хозяйства.
Области исследований. В развитии биохимии можно выделить несколько этапов и направлений.
Типы органических соединений и их структура. Фундаментальное значение имело составление перечня органических соединений, обнаруженных в живых организмах, и установление структуры каждого из них. Этот перечень включает относительно простые соединения аминокислоты, сахара и жирные кислоты, затем более сложные пигменты (придающие окраску, например, цветкам), витамины и коферменты (небелковые компоненты ферментов), а заканчивается гигантскими молекулами белков и нуклеиновых кислот.
Метаболические пути. По-видимому, наиболее значительные успехи в биохимии связаны с выяснением путей биосинтеза природных соединений из более простых веществ, т.е. из компонентов пищи у животных и из диоксида углерода и минеральных веществ (в ходе фотосинтеза) у растений. Биохимикам удалось подробно изучить основные метаболические пути, обеспечивающие синтез и расщепление природных соединений у животных, растений и микроорганизмов (в частности, у бактерий).
Структура и функции макромолекул. Третье направление биохимии связано с анализом связи между структурой и функцией биологических макромолекул. Так, биохимики пытаются понять, какие особенности структуры белковых катализаторов лежат в основе их специфичности, т.е. способности ускорять строго определенные реакции; как выполняют свои функции сложные полисахариды, входящие в состав клеточных стенок и мембран; каким образом сложные липиды, присутствующие в нервной ткани, участвуют в функционировании нервных клеток нейронов.
Функционирование клеток. Еще одна проблема, которой занимаются биохимики, раскрытие механизмов функционирования специализированных клеток. Исследуются, например, следующие вопросы: как происходит сокращение мышечных клеток, как определенные клетки формируют костную ткань, каким образом эритроциты переносят кислород от легких к тканям и забирают из тканей углекислый газ, каков механизм синтеза пигментов в клетках растений и т.д.
Генетические аспекты. Исследования, начавшиеся в 1940-х годах и проводившиеся на грибах и бактериях, а затем на высших организмах, включая человека, показали, что обычно в результате мутации генов в клетках перестают протекать определенные биохимические реакции. Эти наблюдения привели к созданию концепции гена как информационной единицы, отвечающей за синтез специфического белка. Если белок является ферментом, а кодирующий его ген подвергся мутации (т.е. изменился), то клетка утрачивает способность осуществлять реакцию, которую этот фермент должен был бы катализировать.
Ген это специфический сегмент молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), который способен реплицироваться (воспроизводить себя) и ответствен за синтез определенного белка. Многие биохимические исследования направлены на выяснение деталей репликации нуклеиновых кислот и механизма синтеза белков, а потому тесно связаны с генетикой. Область исследований, лежащую в сфере и биохимии и генетики, обычно называют молекулярной биологией.
Проект Геном человека грандиозный международный проект в области молекулярной биологии и генетики, в котором принимают участие коллективы ученых из многих стран. Цель проекта построить генетические карты 23 хромосом человека с точным указанием положения всех десятков тысяч генов на этих хромосомах и в конечном итоге определить структуру хромосом, т.е. последовательность примерно 3 млрд. пар азотистых оснований, из которых состоит хромосомная ДНК. Эти исследования позволят создать доступную для всех ученых базу данных, представляющих большую ценность для изучения генетики человека, а главное помогут биохимикам раскрыть механизмы наследственных болезней.
Медицинская биохимия. С каждым годом все большее число болезней удается связать с теми или иными нарушениями метаболизма. Совместные усилия биохимиков и врачей позволили раскрыть природу нарушений, лежащих в основе таких заболеваний, как сахарный диабет и серповидноклеточная анемия. Более чем в 800 случаях установлена корреляция между нарушениями метаболизма и генетическими дефектами, в некоторых случаях найдены способы, которые позволяют смягчить последствия заболевания.
Важную роль в устранении патологических состояний играют и негенетические факторы. Например, определение солевого состава и кислотно-щелочного равновесия плазмы крови позволяет избежать шока или обезвоживания при обширных хирургических вмешательствах, успешно бороться с неукротимой рвотой, диареей у грудных детей и другими заболеваниями.
Список литературы
Страйер Л. Биохимия, тт. 13. М., 1985
Ленинджер А. Основы биохимии, тт. 13. М., 1985
Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений, тт. 12. М., 1986
Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека, тт. 12. М., 1993
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта
www.studsell.com
Реферат на тему:
Биохи́мия (биологи́ческая, или физиологи́ческая хи́мия) — наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности. Термин «биохимия» эпизодически употреблялся с середины XIX века, но в классическом смысле он был предложен и введён в научную среду в 1903 году немецким химиком Карлом Нойбергом (Carl Neuberg).
Биохимия находится на стыке нескольких наук, прежде всего — биологии и химии.
Возникнув как наука о химии жизни в конце XIX века, чему предшествовало бурное развитие органической химии, биохимия отличается от органической химии тем, что исследует только те вещества и химические реакции, которые имеют место в живых организмах, прежде всего в живой клетке. Согласно этому определению, биохимия охватывает также многие области клеточной биологии и включает в себя молекулярную биологию [1]. После выделения последней в особую дисциплину, размежевание между биохимией и молекулярной биологией в основном сформировалось как методологическое и по предмету исследования. Молекулярные биологи преимущественно работают с нуклеиновыми кислотами, изучая их структуру и функции, в то время как биохимики сосредоточились на белках, в особенности на ферментах, катализирующих биохимические реакции...
Как самостоятельная наука биохимия сформировалась примерно 100 лет назад, однако биохимические процессы люди использовали ещё в глубокой древности, не подозревая, разумеется, об их истинной сущности. В самые отдалённые времена уже была известна технология таких основанных на биохимических процессах производств, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, выделка кож. Необходимость борьбы с болезнями заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, искать объяснения целебным свойствам лекарственных растений. Использование растений в пищу, для изготовления красок и тканей также приводило к попыткам понять свойства веществ растительного происхождения.
Арабский учёный и врач X века Авиценна в своей книге «Канон врачебной науки» подробно описал многие лекарственные вещества.
Итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи на основании своих опытов сделал важный вывод о том, что живой организм способен существовать только в такой атмосфере, в которой может гореть пламя.
XVIII век ознаменовался трудами М. В. Ломоносова. На основе открытого им и французским химиком А. Л. Лавуазье закона сохранения массы веществ и накопленных к концу столетия экспериментальных данных, была объяснена сущность дыхания и исключительная роль в этом процессе кислорода.
Изучение химии жизни уже в 1827 г. привело к принятому до сих пор разделению биологических молекул на белки, жиры и углеводы. Автором этой классификации был английский химик и врач Уильям Праут. В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал мочевину: сначала — из циановой кислоты и аммиака (выпариванием раствора образующегося цианата аммония), а позже в этом же году — из углекислого газа и аммиака. Тем самым впервые было доказано, что химические вещества живого организма могут быть синтезированы искусственно, вне организма. Работы Вёлера нанесли первый удар по теориям представителей школы виталистов, предполагавших присутствие во всех органических соединениях некой «жизненной силы».В 1882 году Иван Горбачевский сделал большое научное открытие — впервые в мире осуществил синтез мочевой кислоты из глицина. В дальнейших исследованиях он установил источник и пути её образования в человеческом и животном организмах. В 1885 году ему удалось получить метилмочевую кислоту из метилгидантоина и карбамида. В 1886 году он предложил новый метод синтеза креатина, а в 1889-1891 годах открыл фермент ксантиноксидазу. Иван Горбачевский одним из первых указал, что аминокислоты являются составляющими белков. Его заслугой стало также то, что он предложил новую методику определения вместительности азота в моче и других веществах. Последующими мощными толчками в этом направлении химии явились лабораторные синтезы липидов (в 1854 году — П. Бертло, Франция) и углеводов из формальдегида (1861 — А. М. Бутлеров, Россия). Бутлеровым была также разработана теория строения органических соединений (1861).
Новый толчок развитию биологической химии дали работы по изучению брожения, инициированные Луи Пастером. В 1897 г. Эдуард Бухнер доказал, что ферментация сахара может происходить в присутствии бесклеточного дрожжевого экстракта, и это процесс не столько биологический, сколько химический. На рубеже XIX и XX веков работал немецкий биохимик Э. Фишер. Он сформулировал основные положения пептидной теории строения белков, установил структуру и свойства почти всех входящих в их состав аминокислот. Но лишь в 1926 г. Джеймсу Самнеру удалось получить первый чистый фермент, уреазу, и доказать, что фермент — это белок.
Биохимия стала первой биологической дисциплиной с развитым математическим аппаратом благодаря работам Холдейна, Михаэлиса, Ментен и других биохимиков, создавших ферментативную кинетику, основным законом которой является уравнение Михаэлиса-Ментен.
Открытие ферментов позволило начать грандиозную работу по полному описанию всех процессов метаболизма, не завершённую до сих пор. Одними из первых значительных находок в этой области стали открытия витаминов, гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.
В 1928 г. Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности неопасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок, а нуклеиновая кислота. Сама по себе нуклеиновая кислота не опасна, она лишь переносит гены, определяющие патогенность и другие свойства микроорганизма. В 1953 году американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик описали структуру ДНК — ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки — молекулярной биологии.
В основе биохимической методологии лежит фракционирование, анализ, изучение структуры и свойств отдельных компонентов живого вещества. Методы биохимии преимущественно формировались в XX веке; наиболее распространенными являются хроматография, изобретённая М.С. Цветом в 1906 г., центрифугирование (Т. Сведберг, 1923 г., Нобелевская премия по химии 1926 г.) и электрофорез (А. Тизелиус, 1937 г., Нобелевская премия по химии 1948 г.).
С конца ХХ в. в биохимии всё шире применяются методы молекулярной и клеточной биологии, в особенности искусственная экспрессия и нокаут генов в модельных клетках и целых организмах (см. генная инженерия, биотехнология). Определение структуры всей геномной ДНК человека выявило приблизительно столько же ранее неизвестных генов и их неизученных продуктов, сколько уже было известно к началу XXI века благодаря полувековым усилиям научного сообщества. Оказалось, что традиционный химический анализ и очистка ферментов из биомассы позволяют получить лишь те белки, которые в живом веществе присутствуют в сравнительно большом количестве. Не случайно основная масса ферментов была открыта биохимиками в середине XX века, и к концу столетия распространилось убеждение, что все ферменты уже открыты. Данные геномики опровергли эти представления, но дальнейшее развитие биохимии требовало изменения методологии. Искусственая экспрессия ранее неизвестных генов предоставила биохимикам новый материал для исследования, часто недоступный традиционными методами. В результате возник новый подход к планированию биохимического исследования, который получил название обратная генетика или функциональная геномика [2]. Эта методология предоставляет биохимикам шанс изучать функции продуктов уже известных генов, в то время как ранее наука шла по пути определения структуры генов, кодирующих уже известные ферменты.
wreferat.baza-referat.ru
Белки, их структура и функции
Все белки являются высокомолекулярными полипептидами. Условную границу между крупными полипептидами и белками обычно проводят -в области мол. масс 8000-10000. Простые белки содержат только аминокислоты, а сложные - еще и неаминокислотные компоненты: гемоглобин, производные витаминов, липидные или углеводные компоненты.Белки играют центральную роль в процессах жизнедеятельности клеток (примером служат ферменты) и в формировании клеточных структур.Удовлетворительной универсальной системы классификации белков не существует. Имеется лишь несколько общеупотребительных систем классификации, частично противоречащих одна другой. С точки зрения ключевых свойств белков все они имеют ограниченную ценность.
Классификация белков, основанная на их растворимости, была введена в 1907-1908 гг. и используется до сих пор, особенно в клинической биохимии.
| Альбумины | Растворимы в воде и солевых растворах. Не имеют особенностей в смысле содержания отдельных аминокислот |
| Глобулины | Слаборастворимы в воде. но хорошо растворимы в солевых растворах. Не имеют особенностей в смысле содержания отдельных аминокислот |
| Проламины | Растворимы в 70-80%-ном этаноле, но нерастворимы в воде и в абсолютном этаноле. Богаты аргинином |
| Гистоны | Растворимы в солевых растворах |
| Склеропротеины | Нерастворимы в воде и солевых растворах. Повышено содержание Gly. Ala. Pro |
СВЯЗИ, ОТВЕТСТВЕННЫЕ ЗА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БЕЛКА
Первичная структура белков формируется в результате соединения L-а-аминокислот пептидными связями. Об этом свидетельствует множество различных данных, однако наиболее убедительным доказательством стал химический синтез инсулина и рибонуклеазы, осуществленный путем последовательного соединениянения аминокислот пептидными связями. Структура большинства белков стабилизируется двумя классами прочных связей (пептидных и дисульфидных) И тремя классами слабых связей (водородных, гидрофобных и электростатических, т. е. солевых).
В структурных формулах пептидов связь между карбонильной группой и атомом а-азота изображается как одинарная, однако на самом деле эта связь между атомами углерода и азота носит характер частично двойной связи. Свободное вращение вокруг нее невозможно, и все четыре атома належат в одной плоскости (компланарны). Вращение же вокруг остальных связей полипептидного остова, наоборот, достаточно свободно. Эта полужесткость ведет к важным последствиям, сказывающимся на более высоких уровнях структурной организации белка.
Дисульфидная связь образуется между двумя остатками цистеина и «сшивает» два участка полипептидной цепи (или цепей), которым принадлежат эти остатки. Эта связь остается стабильной в тех условиях, при которых белок обычно денатурирует. Обработка белка надмуравьиной кислотой (окисляющей связи S-S) или β-меркаптоэтанолом (восстанавливающим связи S-S с регенерацией двух остатков цистеина) приводит к разделению полипептидных цепей, связанных дисульфидными связями; их первичная структура при этом не затрагивается.
Водородные связи образуются 1) между группами, входящими в состав боковых цепей и способными к формированию водородных связей; 2) между атомами азота и кислорода, принадлежащими пептидным группам остова; 3) между полярными остатками, расположенными на поверхности молекулы белка, и молекулами воды. Все они играют важную роль в стабилизации вторичной, третичной и т. Д. структур белка.
Неполярные боковые цепи нейтральных аминокислот в белках имеют тенденцию к ассоциации. Стехиометрические соотношения при этом не соблюдаются, так что никаких связей в обычном смысле не возникает. Тем не менее эти взаимодействия играют важную роль в поддержании структуры белка.
Электростатические связи возникают между разноименно заряженными группами, входящими в состав боковых цепей аминокислот. Например, ε-аминогруппа лизина при физиологических рН несет заряд + 1, а карбоксильная группа аспартата или глутамата в составе боковой цепи несет заряд - 1. Следователльно, эти группы могут электростатически взаимодействовать, стабилизируя структуру белка.
УПОРЯДОЧЕННЫЕ КОНФОРМАЦИИ ПОЛИПЕПТИДОВ
а-Спираль.
Согласно рентгенографическим данным, полученным в начале 1930-х гг., а-кератины волос и шерсти обладают продольной периодичностью 0,5--0,55 нм. Однако в вытянутой полипептидной цепи расстояний, порождающих такую периодичность найти не удавалось. Это кажущееся противоречие было устранено Полингом и Кори, предположившими, что полипептидные цепи а-кератина имеют форму а-спирали. В этой структуре R-группы при а-углеродных атомах направлены от оси спирали. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, а шаг спирали составляет 0,54 нм, что близко к периодичности 0,5-0,55 нм, наблюдаемой на дифракционных картинах. Смещение вдоль оси, приходящееся на один остаток, равно 0,15 нм, что тоже согласуется с рентгеновскими данными. Основные характеристики α-спирали сводятся к следующему: 1. а-Спираль стабилизируется водородными связями между атомом водорода, присоединенным к атому азота пептидной группы, и карбонильным кислородом остатка, отстоящего от данного вдоль цепи на четыре позиции. 2. В образовании водородной связи участвуют все пептидные группы. Это обеспечивает максимальную стабильность а-спирали. 3. В образование водородных связей вовлечены все атомы азота и кислорода пептидных групп, что в значительной мере снижает гидрофильность а-спиральных областей (и увеличивает их гидрофобность). 4. а-Спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии. 5. В цепи из L-аминокислот правая спираль, обычно обнаруживаемая в белках, намного стабильнее левой.Некоторые аминокислоты препятствуют свертыванию цепи в а-спираль, и в месте их расположения непрерывность а-спирали нарушается. К ним относятся пролин (в нем атом азота служит частью жесткой кольцевой структуры, и вращение вокруг связи N - С становится невозможным), а также аминокислоты с заряженными или объемными R-группами, которые электростатически или механически препятствуют формированию а-спирали.
Складчатый β-слой
Полинг и Кори предложили и другую упорядоченную структуру - складчатый β-слой (обозначение р указывало, что предложенная ими структура является второй после а-спирали). В то время как в а-спирали полипептидная цепь находится в конденсированном состоянии, в складчатом β-слое цепи почти полностью вытянуты. В тех случаях,когда соседние полипептидные цепи складчатого β-слоя идут в противоположных направлениях (за положительное принимается направление от N- к С- концу), структуру называют антипараллельным складчатым β-слоем. Когда соседние цепи идут в одном направлении, структуру β-слоя называют параллельной. Области складчатой β-структуры имеются во многих белках, причем встречается и параллельная, и антипараллельная форма. В формировании таких структур могут участвовать от двух до пяти соседних полипептидных цепей. Во многих белках одновременно имеются и а-спирали, и складчатая Р-структура. В а-спирали стабилизирующие водородные связи образуются между пептидными группами, 'отстоящими одна от другой вдоль цепи на четыре остатка, а складчатая β-структура формируется благодаря образованию водородных связей между пептидами, удаленными по цепи намного дальше.
НЕУПОРЯДОЧЕННАЯ КОНФОРМАЦИЯ (клубок)
Те участки белковой молекулы, которые не относятся к спиральным или складчатым структурам, обычно называют неупорядоченными. В такой конформации может находиться значительная часть белковой молекулы. Термин «неупорядоченный » не вполне удачен: создается впечатление, что это указывает на меньшую биологическую значимость таких участков по сравнению с высокоупорядоченными периодическими. В то же время с точки зрения биологической функции неупорядоченные, нерегулярные участки-столь же важны, как и а-спирали и складчатые β-слои.
УРОВНИ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКА
Первичная структура
Под первичной структурой понимается последовательность аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей, если они имеются.
Вторичная структура
На этом структурном уровне описываются стерические взаимосвязи между расположенными близко друг к другу вдоль цепи аминокислотами. Вторичная структура может быть регулярной (а-спираль, складчатый β-слой) или не обнаруживать никаких признаков регулярности (неупорядоченная конформация).
Третичная структура
Общее расположение, взаимную укладку различных областей, доменов и отдельных аминокислотных остатков одиночной полипептидной цепи называют третичной структурой данного белка. Четкой границы между вторичной и третичной структурами провести нельзя, однако под третичной структурой понимают стерические взаимосвязи между аминокислотными остатками. далеко отстоящими друг от друга по цепи.
Четвертичная структура
Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой. Такие агрегаты стабилизируются водородными связями и электростатическими взаимодействиями между остатками, находящимися на поверхности полипептидных цепей. Подобные белки называют олигомерами, а составляющие их индивидуальные полипептидные цепи - протомерами, мономерами или субъединицами. Многие олигомерные белки содержат два или четыре протомера и называются димерами или тетрамерами соответственно. Довольно часто встречаются олигомеры, содержащие более четырех протомеров, особенно среди регуляторных белков (пример транскарбамоилаза). Олигомерные белки играют особую роль во внутриклеточной регуляции: их протомеры могут слегка менять взаимную ориентацию, что приводит К изменению свойств олигомера. Наиболее изученный пример-гемоглобин.
ФУНКЦИИ
Белки можно классифицировать в соответствии с их биологическими функциями; например, можно подразделить белки на структурные, каталитические и транспортные. В свою очередь каталитические белки (ферменты), которые включают большинство различных типов белков, можно подразделить в соответствии с типом катализируемой ими реакции.
| Каталитическая | Ферменты |
| Сократительная | Актин, миозин |
| Регуляция работы генов | Гистоны. негистоновые ядерные белки |
| Гормональная | Инсулин |
| Защитная | Фибрин, иммуноглобулины. интерферон |
| Регуляторная | Кальмодулин |
| Структурная | Коллаген. эластин, кератины |
| Транспортная | Альбумины (переносят билирубин, жирные кислоты и т. д.), гемоглобин (кислород), липопротеиды (различные липиды), трансферрин(железо) |
2.Распад улеводов
Переваривание и всасывание улеводов
Расщепление крахмала (и гликогена) начинается в полости рта под действием амилазы слюны. Известны три вида амилаз, которые различаются главным образом по конечным продуктам их ферментативного действия: α-амилаза, β-амилаза и γ-амилаза. α-Амилаза расщепляет в полисахаридах внутренние α-1,4-связи, поэтому ее иногда называют эндоамилазой. Молекула α-амилазы содержит в своих активных центрах ионы Са2+, необходимые для ферментативной активности. Кроме того, характерной особенностью α-амилазы животного происхождения является способность активироваться одновалентными анионами, прежде всего ионами хлора. Под действием β-амилазы от крахмала отщепляется дисахарид мальтоза, т.е. β-амилаза является экзоамилазой. Она обнаружена у высших растений, где выполняет важную роль в мобилизации резервного (запасного) крахмала. γ-Амилаза отщепляет один за другим глюкозные остатки от конца полигликозидной цепочки. Различают кислые и нейтральные γ-амилазы в зависимости от того, в какой области рН они проявляют максимальную активность. В органах и тканях человека и млекопитающих кислая γ-амилаза локализована в лизосомах, а нейтральная – в микросомах и гиало-
плазме. Амилаза слюны является α-амилазой. Под влиянием этого фермента происходят первые фазы распада крахмала (или гликогена) с образованием декстринов (в небольшом количестве образуется и мальтоза). Затем пища, смешанная со слюной, попадает в желудок. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих сложные углеводы. В желудке действие α-амилазы слюны прекращается, так как желудочное содержимое имеет резко кислую реакцию (рН 1,5–2,5). Однако в более глубоких слоях пищевого комка, куда не сразу проникает желудочный сок, действие амилазы некоторое время продолжается и происходит расщепление полисахаридов с образованием декстринов и мальтозы.
Наиболее важная фаза распада крахмала (и гликогена) протекает в двенадцатиперстной кишке под действием α-амилазы поджелудочного сока. Здесь рН возрастает приблизительно до нейтральных значений, при этих условиях α-амилаза панкреатического сока обладает почти максимальной активностью. Этот фермент завершает превращение крахмала и гликогена в мальтозу, начатое амилазой слюны. Напомним, что в молекулах амилопектина и гликогена в точках ветвления существуют также α(1–>6)-гликозидные связи. Эти связи в кишечнике гидролизуются особыми ферментами: амило-1,6-глюкозидазой и олиго-1,6-глюкозидазой (терминальная декстриназа). Таким образом, расщепление крахмала и гликогена до мальтозы происходит в кишечнике под действием трех ферментов: панкреатической α-амилазы, амило-1,6-глюкозидазы и олиго-1,6-глюкозидазы. Образующаяся мальтоза оказывается только временным продуктом, так как она быстро гидролизуется под влиянием фермента мальтазы (α-глюкозидазы) на 2 молекулы глюкозы. Кишечный сок содержит также активную сахаразу, под влиянием которой из сахарозы образуются глюкоза и фруктоза *. Лактоза, которая содержится только в молоке, поддействием лактазы
кишечного сока расщепляется на глюкозу и галактозу. В конце концов углеводы пищи распадаются на составляющие их моносахариды (преимущественно глюкоза, фруктоза и галактоза), которые всасываются кишечной стенкой и затем попадают в кровь. Следует заметить, что активность свободных дисахаридаз в просвете кишечника невелика. Большая часть их ассоциирована с небольшими «выпуклостями» на щеточной каемке эпителиальных клеток кишечника. Напомним, что на внутренней поверхности тонкой кишки располагаются ворсинки. В тощей кишке человека на 1 мм2 поверхности приходится 22–40, в подвздошной – 18–30 ворсинок. Снаружи ворсинки покрыты кишечным эпителием, клетки которого имеют множественные выросты – микроворсинки (до 4000 на каждой клетке). На 1 мм2 поверхности тонкой
кишки у человека 80–140 млн микроворсинок. При соответствующей обработке препаратов над микроворсинками обнаруживается волокнистая сеть, представляющая собой гликопротеиновый комплекс – гликокаликс. В поверхностных слоях гликокаликса задерживаются крупные молекулы и бактерии. Полисахариды не проникают через гликокаликс и, оставшись нерасщепленными при полостном пище-
варении, гидролизуются на поверхности энтероцитов. Мальтоза, сахароза и лактоза могут гидролизоваться в гликокаликсе. Такое переваривание получило название пристеночного, или внеклеточного, пищеварения.
Маловероятным представляется всасывание значительных количеств дисахаридов, так как из экспериментов с парентеральным их введением известно, что большая часть дисахаридов, поступивших в кровяное русло, выделяется с мочой неизмененной; это является тем единственным и притом нефизиологическим случаем, когда дисахариды появляются в моче. Скорость всасывания отдельных моносахаридов различна. Глюкоза и галактоза всасываются быстрее, чем другие моносахариды. Принято
считать, что всасывание маннозы, ксилозы и арабинозы осуществляется преимущественно путем диффузии, всасывание же большинства других моносахаридов происходит за счет активного транспорта.
Щеточная каемка энтероцитов содержит системы переносчиков. Установлено существование переносчика, способного связывать различными своими участками глюкозу и Na+ и переносить их через плазматическую мембрану кишечной клетки. Считают, что глюкоза и Na+ высвобождаются затем в цитозоль, позволяя переносчику захватить новую порцию «груза». Na+ транспортируется по градиенту концентрации, стимулируя переносчик к транспорту глюкозы против указанного градиента. Свободная энергия, необходимая для этого активного транспорта, образуется благодаря гидролизу АТФ связанному с натриевым насосом, который «откачивает» из клетки Na+ в обмен на К+. Динамика происходящих при этом процессов пока остается недостаточно ясной и в настоящее время обстоятельно изучается.
Судьба всосавшихся моносахаридов. Более 90% всосавшихся моносахаридов (главным образом глюкоза) через капилляры кишечных ворсинок попадает в кровеносную систему и с током крови через воротную вену доставляется прежде всего в печень. Остальное количество моносахаридов поступает по лимфатическим путям в венозную систему. В печени значительная часть всосавшейся глюкозы превращается в гликоген, который откладывается в печеночных клетках в форме своеобразных, видимых под микроскопом блестящих гранул.
ГЛИКОЛИЗ
Гликолиз (от греч. glycys – сладкий и lysis – растворение, распад) – это последовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТФ. При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где полностью окисляется до СО2 и Н2О. Если содержание кислорода недостаточно, как это может иметь место в активно сокращающейся мышце,
пируват превращается в лактат. Итак, гликолиз – не только главный путь утилизации глюкозы в клетках,
но и уникальный путь, поскольку он может использовать кислород, если последний доступен (аэробные условия), но может протекать и в отсутствие кислорода (анаэробные условия). Анаэробный гликолиз – сложный ферментативный процесс распада глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2ФН –> 2СН3СН(ОН)СООН + 2АТФ + 2Н2О.
В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря гликолизу организм человека и животных определенный период может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе *. Последовательность реакций анаэробного гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, клисталлическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно известны. Заметим, что гликолиз протекает в гиалоплазме (цитозоле) клетки. Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:
Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровождается освобождением значительного количества свободной энергии системы и может считаться практически необратимым процессом. Наиболее важным свойством гексокиназы является ее ингибирование глюкозо-6-фосфатом, т.е. последний служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим ингибитором. Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы и т.д. В печени, кроме гексокиназы, существует фермент глюкокиназа, который катализирует фосфорилирование только D-глюкозы. В мышечной ткани этот фермент отсутствует Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6фосфат:
Эта реакция протекает легко в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо кофакторов.
Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:
Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость
гликолиза в целом. Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и стимулируется АМФ *. При значительных величинах отношения АТФ/АМФ активность фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза. Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:
Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. При повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (дигидроксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата) *. Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:
Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глицеральдегид-3-фосфата. В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.
Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия – наиболее сложная и важная. Она включает окислительно-восстановительную реакцию (реакция гликолитической оксидоредукции), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в про-
цессе которого образуется АТФ. В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутст-
вии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты ** и восстановленной формы НАД (НАДН). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает в несколько этапов:
1,3-Бисфосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение (макроэргическая связь условно обозначена знаком «тильда» ~).Механизм действия глицеральдегидфосфатдегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД+ выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочная и расщепляется под влиянием неорганического фосфата, при этом образуется 1,3-бисфосфоглицериновая кислота. Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом
происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат):
Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием. Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат). Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2+. Кофактором фермента является также 2,3-бисфосфоглицериновая кислота аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора выполняет глюкозо-1,6-бисфосфат:
Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:
Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg2+ или Мn2+ и ингибируется фторидом.
Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:
studfiles.net
| Реферат студентки группы № 017 1 курса факультета Экономики и Управления Сферой Сервиса Лизуновой Светланы Юрьевны |
Определение биохимии, предмет изучения | 3 |
| История развития биохимии | 7 |
| Характеристика основных разделов биохимии | 13 |
| Белки | 13 |
| Ферменты | 15 |
| Нуклеиновые кислоты | 16 |
| Углеводы | 18 |
| Липиды | 19 |
| Витамины | 22 |
| Актуальность биохимии как науки | 23 |
| Некоторые перспективы развития биохимии | 24 |
| Список литературы | 26 |
За последние десятилетия из всех биологических наук наибольшее воздействие на развитие не только биологии, но и всего естествознания в целом оказала биохимия. Достижения биологии и в познавательном, и в практическом плане превзошли самые смелые прогнозы первой половины нашего века. Многое из того, что доступно современным биологам, ещё несколько лет назад представлялось фантастичным.
Учёным удалось проникнуть в глубь живой материи до уровня составляющих её молекул, надмолекулярных комплексов и их организованных ансамблей. Изучение материальных носителей жизнедеятельности – нуклеиновых кислот и белков – приобрело качественно новый характер. Совершенно заново стали осмысливать и экспериментально исследовать механизмы хранения, передачи и реализации наследственной информации, преобразования материи и энергии в клетке, иммунитета, передачи нервных импульсов и восприятия клеткой сигналов и воздействий внешней среды, принципы гуморальной регуляции и многое другое.
Совершенно новым стало и изучение разнообразных регуляторов процессов, протекающих в клетках и тканях, гормонов, нейропептидов, простагландинов и т. п. Сформировалась совершенно новая система проблем, в которых фундаментальные познавательные задачи оказались сближенными с практическим приложением необычайно высокой эффективности (идёт ли речь о функционировании ферментов, раскрытии механизмов фотосинтеза, зрения, нервной регуляции, деятельности мозга, защиты от инфекций и многого другого, включая важнейшую проблему манипулирования с генетическим материалом).
Всё это привело к тому, что за последнюю четверть века – срок необычайно короткий, если подходить к нему с установившимися историческими мерками, - структура биологии подверглась значительным переменам.
Внедрение методов химии в биологию содействовало тому, что формирующаяся биохимия оказалась среди биологических наук наилучшим образом подготовленной для проникновения в тайны функционирования клетки. Именно благодаря этому она превратилась из «служанки физиологии» в самостоятельную, методологически необычайно важную область биологии. В поисках ответа на вопрос, как функционирует клетка, биохимия определила цитологию и первой проникла в мир субклеточных образований. Прогресс генетики также на определённом этапе зависел от развития биохимических методик и концепций.[2]
Изучение состава живых организмов издавна привлекало внимание учёных, поскольку к числу веществ, входящих в состав живых организмов, помимо воды, минеральных элементов, липидов, углеводов и т. д., относится ряд наиболее сложных органических соединений: белки и их комплексы с рядом других биополимеров, в первую очередь с нуклеиновыми кислотами.
Установлена возможность спонтанного объединения (при определённых условиях) большого числа белковых молекул с образованием сложных надмолекулярных структур, например, белкового чехла хвоста фага, некоторых клеточных органоидов и т. д. Это позволило ввести понятие о само собирающихся системах. Такого рода исследования создают предпосылки для решения проблемы образования сложнейших надмолекулярных структур, обладающих признаками и свойствами живой материи, из высокомолекулярных органических соединений, возникших некогда в природе абиогенным путём.
Современная биохимия как самостоятельная наука сложилась на рубеже 19 и 20 вв. До этого времени вопросы, рассматриваемые ныне биохимией, изучались с разных сторон органической химией и физиологией. Органическая химия, изучающая углеродистые соединения вообще, занимается, в частности, анализом и синтезом тех химических соединений, которые входят в состав живой ткани. Физиология же наряду с изучением жизненных функций изучает и химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности. Таким образом, биохимия является продуктом развития этих наук и её можно подразделить на две части: статическую (или структурную) и динамическую. Статическая биохимия занимается изучением природных органических веществ, их анализом и синтезом, тогда как динамическая биохимия изучает всю совокупность химических превращений тех или иных органических соединений в процессе жизнедеятельности. Динамическая биохимия, таким образом, стоит ближе к физиологии и медицине, чем к органической химии. Этим и объясняется то, что вначале биохимия называлась физиологической (или медицинской) химией.[3]
Как всякая быстро развивающаяся наука, биохимия вскоре после своего возникновения начала делится на ряд обособленных дисциплин: биохимия человека и животных, биохимия растений, биохимия микробов (микроорганизмов) и ряд других, поскольку, несмотря на биохимическое единство всего живого, в животных и растительных организмах существуют и коренные различия в характере обмена веществ. В первую очередь это касается процессов ассимиляции. Растения, в отличие от животных организмов, обладают способностью использовать для построения своего тела такие простые химические вещества, как углекислый газ, вода, соли азотной и азотистой кислот, аммиак и др. При этом процесс построения клеток растений требует для своего осуществления притока энергии извне в форме солнечного света. Использование этой энергии первично осуществляют зелёные аутотрофные организмы (растения, простейшие, ряд бактерий), которые в свою очередь сами служат пищей для всех остальных так называемых гетеротрофных организмов (в том числе и человека), населяющих биосферу. Таким образом, выделение биохимии растений в особую дисциплину является обоснованным как с теоретической, так и с практической сторон.
Развитие ряда отраслей промышленности и сельского хозяйства (переработка сырья растительного и животного происхождения, приготовление пищевых продуктов, изготовление витаминных и гормональных препаратов, антибиотиков и т.д.) привело к выделению в особый раздел технической биохимии.
При изучении химизма различных микроорганизмов исследователи столкнулись с целым рядом специфических веществ и процессов, представляющих большой научно-практический интерес (антибиотики микробного и грибкового происхождения, различные виды брожений, имеющие промышленное значение, образование белковых веществ из углеводов и простейших азотистых соединений и т. д.). Все эти вопросы рассматривают в биохимии микроорганизмов.
В 20 веке возникла как особая дисциплина биохимия вирусов.
Потребностями клинической медицины было вызвано появление клинической биохимии.
Из других разделов биохимии, которые обычно рассматриваются как достаточно обособленные дисциплины, имеющие свои задачи и специфические методы исследования, следует назвать: эволюционную и сравнительную биохимию (биохимические процессы и химический состав организмов на различных стадиях их эволюционного развития), энзимология (структура и функции ферментов, кинетика ферментативных реакций), биохимию витаминов, гормонов, радиационную биохимию, квантовую биохимию (сопоставление свойств, функций и путей превращения биологически важных соединений с их электронными характеристиками, полученными с помощью квантово-химических расчётов).
Особенно перспективным оказалось изучение структуры и функции белков и нуклеиновых кислот на молекулярном уровне. Этот круг вопросов изучается науками, возникшими на стыках биохимии с биологией и генетикой.[4]
История развития биохимии.
Можно выделить основные этапы развития биохимической науки.
1. «Протобиохимия». Концепции процессов жизнедеятельности и их природы, развиваемые в древности, античности, в период средневековья. Концепции жизнедеятельности в Эпоху Возрождения, привлечение их для описания и объяснения химических процессов.
2. Экспериментальное изучение процессов жизнедеятельности в 17-18 вв. Первые химические теории и объяснения процессов дыхания, пищеварения, брожения.
3. «Новая химия» и изучение методами химии живых организмов и процесс жизнедеятельности. Первый кризис методологии в области взаимодействия химии и биологии.
4. Формирование биологической химии в рамках редукционистских программ биологии второй половины 19 века.
5. Развитие классической биологической химии.
6. Прогресс биохимии и революция в биологии во второй половине 20 века – формирование физико-химической биологии. Методологические, эмпирические и теоретические основы этого процесса. Интегрирующая роль физико-химической биологии в системе биологических наук.[5]
Изучение живой материи с химической стороны началось с того момента, когда возникла необходимость исследования составных частей живых организмов и совершающихся в них химических процессов в связи с запросами практической медицины и сельского хозяйства. Исследования средневековых алхимиков привели к накоплению большого фактического материала по природным органическим соединениям. В 16-17 вв. воззрения алхимиков получили развитие в трудах ятрохимиков, считавших, что жизнедеятельность организма человека можно правильно понять лишь с позиций химии. Так, один из виднейших представителей ятрохимии – немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс выдвинул прогрессивное положение о необходимости тесной связи химии с медициной, подчёркивая при этом, что задача алхимии не в изготовлении золота и серебра, а в создании того, что является силой и добродетелью медицины. Ятрохимики ввели в медицинскую практику препараты ртути, сурьмы, железа и других элементов. Позже И. Ван-Гельмонт высказал предположение о наличии в «соках» живого тела особых начал, так называемых «ферментов», участвующих в разнообразных химических превращениях.[6]
В 17-18 вв. работали такие выдающиеся учёные как М.В. Ломоносов и А. Лавуазье, открывшие и утвердившие в науке закон сохранения материи (массы). Лавуазье внёс важнейший вклад в развитие не только химии, но и в изучение биологических процессов. Развивая более ранние наблюдения Майова, он показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Одновременно им же, вместе с Лапласом, было показано, что процесс биологического окисления является и источником животной теплоты. Это открытие стимулировало исследования по энергетике метаболизма, в результате чего уже в начале 19 века было определено количество тепла, выделяемого при сгорании углеводов, жиров и белков.
Крупными событиями второй половины 18 века стали исследования Р.Реомюра и Л.Спалланцани по физиологии пищеварения. Эти исследователи впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. Возникновение энзимологии (учение о ферментах), однако, обычно связывают с именами К.С. Кирхгофа, а также Пейена и Персо, впервые изучивших действие на крахмал фермента амилазы in vitro.
Важную роль сыграли работы Пристли и особенно Ингенхауса, открывших явление фотосинтеза (конец 18 века).
На рубеже 18 и 19 вв. были проведены и другие фундаментальные исследования в области сравнительной биохимии; тогда же было установлено существование круговорота веществ в природе.
Успехи статической биохимии с самого начала были неразрывно связаны с развитием органической химии.
Толчком к развитию химии природных соединений явились исследования шведского химика К. Шееле (1742-1786 гг.). Он выделил и описал свойства целого ряда природных соединений – молочную, винную, лимонную, щавелевую, яблочную кислоты, глицерин и амиловый спирт и др. Большое значение имели исследования И.Берцелиуса и Ю.Либиха, закончившиеся разработкой в начале 19 века методов количественного элементарного анализа органических соединений. Вслед за этим начались попытки синтезировать природные органические вещества. Достигнутые успехи – синтез в 1828 году мочевины, уксусной кислоты (1844 г.), жиров (1850 г.), углеводов (1861 г.) – имели особенно большое значение, так как показали возможность синтеза in vitro ряда органических веществ, входящих в состав животных тканей или же являющихся конечными продуктами обмена. Во второй половине 18 – начале 19 века были проведены и другие важные исследования: из мочевых камней была выделена мочевая кислота, из желчи – холестерин, из меда – глюкоза и фруктоза, из листьев зеленых растений – пигмент хлорофилл, в составе мышц был открыт креатин. Было показано существование особой группы органических соединений – растительных алкалоидов, нашедших позднее применение в медицинской практике. Из желатины и бычьего мяса путем их гидролиза были получены первые аминокислоты: глицин и лейцин.
Во Франции в лаборатории К. Бернара в составе ткани печени был открыт гликоген (1857), изучены пути его образования и механизмы, регулирующие его расщепление. В Германии в лабораториях Э. Фишера, Э. Ф. Гоппе-Зейлера, А. Косселя и других были изучены структура и свойства белков, а также продуктов их гидролиза, в том числе и ферментативного.
В связи с описанием дрожжевых клеток (1836-1838гг.) начали активно изучать процесс брожения (Либих, Пастер и др.). Вопреки мнению Либиха, рассматривавшего процесс брожения как чисто химический, протекающий с обязательным участием кислорода, Л. Пастер установил возможность существования анаэробиоза, то есть жизни в отсутствии воздуха, за счет энергии брожения. Бухнеру удалось получить из дрожжевых клеток бесклеточный сок, способный, подобно живым дрожжам, сбраживать сахар с образованием спирта и углекислоты.
Накопление большого количества сведений относительно химического состава растительных и животных организмов и химических процессов, протекающих в них, привело к необходимости систематизации и обобщений в области биохимии. Первой работы в этом плане был учебник Зимона (1842). Очевидно, именно с этого времени термин «биологическая (физиологическая) химия» утвердился в науке. В России первый учебник физиологической химии был издан профессором Харьковского университета А. И. Ходневым в 1847 году. Периодическая литература по биологической химии регулярно начала выходить с 1873 года в Германии. Позднее биохимические журналы начали издаваться во многих странах мира на английском, французском, русском и других языках. Во второй половине 19 века на медицинских факультетах многих русских и зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры медицинской, или физиологической химии.
Подлинный расцвет биохимии наступил в 20 веке. В самом начале его была сформулирована и экспериментально обоснована полипептидная теория строения белков (Э. Фишер 1901-1902гг.). Позднее был разработан ряд аналитических методов, позволяющих изучить аминокислотный состав белка (хроматография, рентгеноструктурный анализ, метод изотопной индикации, цитоспектрофотометрия, электронная микроскопия). Расшифровывается первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура многих белков. Синтезируется ряд важных белковых веществ.
Выдающееся значение имели работы Л. Полинга, В. Виньо, Ф. Сэнгера, С. Мура, Д. Филлипса, Дж. Нортропа, М. М. Шемякина, Ф. Штрауба и др.
Блестящие работы Чаргаффа, Дж. Уотсона и Ф. Крика завершаются выяснением структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Устанавливается двухспиральная структура ДНК и роль ее в передаче наследственной информации. Осуществляется синтез ДНК и РНК. Решается (1962 и последующие годы) одна из центральных проблем современной биохимии – расшифровывается РНК – аминокислотный код. Вводится понятие о молекулярных болезнях, связанных с определенными дефектами в структуре ДНК хромосомного аппарата клетки.
Ранее классическими исследованиями И. П. Павлова и его школы раскрываются основные физиологические и биохимические механизмы работы пищеварительных желез. Устанавливается существование заменимых и незаменимых аминокислот, разрабатываются нормы белка в питании. Детальному изучению подвергаются особенности процесса азотистого обмена у растений. Особое место заняло изучение нарушений азотистого обмена у животных и человека при белковой недостаточности. Детально исследуются продукты распада гемоглобина, расшифровываются пути образования гема.
Выдающиеся успехи достигнуты в расшифровке структуры важнейших углеводов и механизмов углеводного обмена. Подробно выяснено превращение углеводов в пищеварительном тракте под влиянием пищеварительных ферментов и кишечных микроорганизмов. Выясняются биохимические механизмы нарушения углеводного обмена (диабет, галактоземия, гликогенозы и др.), связанные с наследственными дефектами соответствующих ферментативных систем.
Достигнуты успехи в расшифровке структуры липидов: фосфолипидов, цереброзидов, ганглеозидов. Создается теория b-окисления жирных кислот. Разработаны современные представления о путях окисления и синтеза жирных кислот и сложных липидов. Значительный прогресс достигнут при изучении механизма биологического окисления, тканевого дыхания. Разработаны методы количественного определения целого ряда биохимических компонентов крови и тканей.
В. А. Энгельгардтом, а также Липманном было введено понятие о «богатых энергией» фосфорных соединениях, в частности АТФ, в макроэргических связях которых аккумулируется значительная часть энергии, освобождающейся при тканевом дыхании.
20 век ознаменовался расшифровкой химического строения всех известных в настоящее время витаминов. Вводятся международные единицы витаминов, устанавливаются потребности в витаминах человека и животных, создается витаминная промышленность.
Не менее значительные успехи достигнуты в области биохимии гормонов. Получены первые данные о механизме действия гормонов на обмен веществ. Расшифрован механизм регуляции функций эндокринных желёз по принципу обратной связи.
Возникает новое направление в биохимии – нейрохимия. Установлены особенности в химическом составе нервной ткани. Вводятся в медицинскую практику различные психофармакологические вещества, открывающие новые возможности в лечении нервных заболеваний. Широко используются, особенно в сельском хозяйстве ингибиторы холинэстеразы (медиатора, действующего на нервные окончания) для борьбы с насекомыми-вредителями.
Важные результаты получены при изучении состава и свойств крови: изучена дыхательная функция крови в норме и при ряде патологических состояний; выяснен механизм переноса кислорода от лёгких к тканям и углекислоты от тканей к лёгким; уточнены и расшифрованы представления о механизме свёртывания крови, изучены факторы, при врождённом отсутствии которых в крови наблюдаются различные формы гемофилии.
В развитии современной биохимии важную роль сыграла разработка ряда специальных методов исследования: изотопной индикации, дифференциального центрифугирования, спектрофотометрии, электронного парамагнитного резонанса и др.[7]
Характеристика основных разделов элементарной биохимии. Белки[8]В настоящее время установлено, что в живой природе не существует небелковых организмов.
Белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, образующие при гидролизе аминокислоты. В организме животных белков содержится до 40-50 % и более на сухую массу, у растений до 20-35%.Разнообразны и очень важны функции белков.
Строительная, структурная функция. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с липидами они являются основным структурным материалом всех клеточных мембран, всех органелл.
Каталитическая функция. Практически все биохимические реакции катализируются белками-ферментами.
Двигательная функция. Любые формы движения в живой природе (работа мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших) осуществляются белковыми структурами клеток.
Транспортная функция. Белок крови гемоглобин транспортирует кислород от легких к тканям и органам. Есть белки крови, транспортирующие липиды, железо, стероидные гормоны. Перенос многих веществ через клеточные мембраны осуществляют особые белки-переносчики.
Защитная функция. Важнейшие факторы иммунитета – антитела и система комплемента являются белками. Процесс свертывания крови, защищающий организм от чрезмерной кровопотери происходит с участием белков фибриногена, тромбина и других факторов свертывания, тоже являющихся белками. Внутренние стенки пищевода, желудка выстланы защитным слоем слизистых белков – муцинов. Основу кожи, предохраняющей тело от многих внешних воздействий, составляет белок коллаген.
Гормональная функция. Ряд гормонов по своему строению относится к белкам (инсулин) или пептидам (АКТГ, окситоцин, вазопрессин).
Опорная функция. Сухожилия, суставные сочленения, кости скелета образованы в значительной степени белками.
Запасная функция. Белки способны образовывать запасные отложения (овальбумин яиц, казеин молока, многие белки семян).
Белки имеют большое народнохозяйственное значение. Белки являются основными компонентами пищи человека и животных. Многие заболевания связаны с хроническим белковым голоданием. Технология многих производств основана на переработке белков, Изменении их свойств.
Структурными элементами белков являются аминокислоты.
Аминокислоты можно рассматривать как производные карбоновых кислот, в которых один из водородов углеродной цепи замещен на группу Nh3.
Строение белковой молекулы. Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной или амидной связью. Образование ее происходит за счет аминогруппы (Nh3)одной аминокислоты и карбоксильной (СООН) группы другой с выделением молекулы воды.
Структура молекулы белка имеет четыре уровня. Первичная структура белковой молекулы это порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи. Вторичная структура – это упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи, она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами. Третичная структура описывает пространственную укладку всей молекулы белка. В поддержании третичной структуры белка, ее закреплении принимают участие различные типы связей (ковалентные, ионные, водородные и гидрофобные взаимодействия). Под четвертичной структурой понимают способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в молекуле, характер связей между ними.
Все белки принято делить на две группы: простые, или протеины (состоят только из аминокислот), и сложные (в их молекуле помимо белковой части содержится и небелковая, простетическая): хромопротеины, липопротеины, нуклеопротеины и т. д.
Ферменты[9]Ферменты, или энзимы, - это катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах.
Являясь катализаторами – веществами, ускоряющими реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими, небиологическими катализаторами.
1. Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде. Они не расходуются в процессе катализа.
2. Ферменты не могут возбудить реакций, противоречащих законам термодинамики, они только ускоряют те реакции, которые могут протекать и без них.
3. Ферменты, как правило, не смещают положения равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.
Для ферментов характерны и специфические свойства, отличающие их от химических катализаторов, выражающих их химическую природу.
1. По химическому строению молекулы все ферменты являются белками.
2. Эффективность ферментов выше, чем небиологических катализаторов.
3. Ферменты обладают узкой специфичностью, избирательностью действия на субстраты, т.е. на вещества, превращения, которых они катализируют.
4. Одним из важнейших свойств ферментов является их регулируемость.
При ферментативных реакциях в отличие от неферментативных наблюдаются лишь незначительные побочные процессы, для ферментативных реакций характерен почти 100% выход продуктов.
Согласно классификации, все ферменты разделяются на шесть классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций.
1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции.
2. Трансферазы. Катализируют реакции переноса группировок с одного соединения на другое.
3. Гидролазы. Ускоряют гидролитическое расщепление веществ.
4. Лиазы. Катализируют реакции негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям.
5. Изомеразы. Катализируют реакции изомерации соединений.
6. Лигазы (синтетазы). Ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений.
Ферментативные препараты находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В хлебопекарном производстве для ускорения гидролиза крахмала и улучшения качества теста используют амилазы. При приготовлении детской пищи с целью облегчения переваривания углеводов и белков исходные продукты обрабатываются амилазой и протеиназами. Специфические протеиназы используют в виноделии, в кожевенной промышленности, при производстве синтетических моющих средств. Ферменты используют как лекарственные средства: пепсин, трипсин, химотрипсин, лидаза, стрептокиназа…
Нуклеиновые кислоты[10]Нуклеиновые кислоты – это сложные соединения, состоящие из пуринового или пиримидинового азотистого основания, моносахарида пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.
Нуклеиновые кислоты – важнейший компонент всех живых организмов, всех живых клеток. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков. Каждый живой организм содержит свои специфические белки, которыми он отличается то других организмов. Информация, определяющая особенности структуры белков, «записана» в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК. Все нуклеиновые кислоты делятся на два типа в зависимости от того, какой моносахарид входит в их состав; рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит рибозу, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит дезоксирибозу.
Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических, гетероциклических соединений – пурина и пиримидина. Среди пуриновых азотистых оснований главную роль играют аденин (А) и гуанин (Г), а среди пиримидиновых оснований – цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т). В состав ДНК входят аденин, цитозин, гуанин, тимин; в РНК вместо тимина присутствует урацил.
ДНК подобно белкам имеет первичную, вторичную и третичную структуру. Хромосомы животных, бактерий, вирусов содержат по одной непрерывной ДНК-спирали огромной длины по сравнению с размерами ядра. Более 99% ДНК клетки находится в ее ядре и около 1% в цитоплазме. Наследственная информация передается с помощью уникальной последовательности участков ядерной ДНК.
Содержащиеся в клетке РНК различаются размером, составом, функциями и локализацией. В цитоплазме содержится РНК нескольких видов: транспортная РНК (тРНК), информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК). В ядре локализована ядерная РНК (яРНК), количество которой составляет от 4 до 10% от суммарной клеточной РНК.
Синтез РНК, ДНК и белка очень сложные, взаимосвязанные процессы, которыми вплотную занимается такая наука, как генная инженерия. Основная задача генной инженерии – получение молекул ДНК in vitro, их размножение и введение в организм с целью получения новых наследственных свойств.
Углеводы[11]Углеводами называют альдегиды и кетоны многоатомных спиртов и полимеры этих соединений. В биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений вместе взятых. В растительном мире на их долю приходится 80-90% из расчета на сухое вещество. В животном организме углеводов содержится около 2% массы тела, но значение их одинаково велико для всех живых организмов, о чем свидетельствуют те важные функции, которые они выполняют.
1. Энергетическая. Окисляясь в процессе дыхания, углеводы выделяют заключенную в них энергию и обеспечивают значительную часть потребности организма в ней. При окислении 1г углеводов выделяется 16,9 кДж энергии.
2. Пластическая. Углеводы используются для синтеза многих важных для организма веществ: нуклеиновых кислот, органических кислот, а из них – аминокислот и далее белков, липидов и т. д.
3. Защитная. Углеводы – основные компоненты оболочек растительных тканей, они участвуют в построении наружного скелета насекомых и ракообразных, в образовании клеточных стенок бактерий и клеточных мембран всех живых организмов.
4. Опорная. Целлюлоза и другие полисахариды оболочек растений не только защищают клетки от внешних воздействий, но и образуют прочный остов растения. В комплексе с белками углеводы входят в состав хрящевых тканей человека и животных.
5. Специфические функции углеводов. Углеводы определяют антигенную специфичность, обусловливают различия групп крови и др.
6. Углеводы выполняют также функцию запасных питательных веществ.
Углеводы подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
К моносахаридам относятся углеводы и их производные, которые не способны расщепляться без потери основных углеводных свойств.
Олигосахариды гидролизуются с образованием небольшого числа моносахаридов (от 2 до 10).
Полисахариды (гликаны) представляют собой высокомолекулярные полимеры моносахаридов и их производных. Число остатков моносахаридных единиц в них от 10 до нескольких тысяч.
Образование углеводов происходит в растениях в процессе фотосинтеза и в микроорганизмах в процессе хемосинтеза.
Человек и животные не способны к первичному биосинтезу углеводов из неорганических веществ, они могут лишь образовывать их в процессе глюконеогенеза из других органических веществ (органических кислот, жиров, аминокислот), но главным источником углеводов является пища. Углеводы составляют существенную часть рациона человека и многих животных. На их долю приходится 60-70% общей суммы калорий пищи человека. Углеводы всасываются через слизистую оболочку кишечника только в виде моносахаридов. Для расщепления и переваривания крупных полисахаридов в пищеварительном тракте имеются десятки различных ферментных систем. В результате последовательного воздействия ферментов углеводы превращаются в моносахариды, они хорошо всасываются через кишечную стенку в кровь и разносятся по организму для выполнения своих функций.
Липиды[12]Липидами называются неоднородные в химическом отношении вещества, общим свойством которых является хорошая растворимость в неполярных органических растворителях: эфире, ацетоне, хлороформе, бензоле и т. п. По своему химизму липиды, в большинстве случаев, представляют собой сложные эфиры высших жирных кислот с глицерином или некоторыми другими спиртами специфического строения. В составе ряда липидов кроме этих компонентов встречаются фосфорная кислота, азотистые основания, или углеводы. В экстракте, полученном при обработке животных или растительных тканей органическими растворителями, присутствуют обычно высшие и полициклические спирты, жирорастворимые витамины, которые некоторые авторы также относят к классу липидов.
Липиды могут быть классифицированы следующим образом:
1. Нейтральные жиры и свободные жирные кислоты
2. Фосфолипиды
3. Гликолипиды
4. Стероиды
5. Воска
6. Терпены
Функции этого класса соединений важны и разнообразны.
1. Прежде всего, липиды в виде комплекса с белками являются структурными элементами мембран клеток и клеточных органелл. В связи с этим они определяют транспорт веществ в клетки и участвуют в ряде других процессов, связанных с функционированием мембран.
2. Липиды служат также энергетическим материалом для организма. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии, т. е. В 2 раза больше, чем при расщеплении 1 г углеводов. Одновременно липиды являются запасными веществами, в форме которых депонируется метаболическое топливо. Определенное исключение в этом отношении составляют бактерии: у большинства из них накопление энергии осуществляется в нелипидной форме (гликоген) и только 9у некоторых видов – в форме поли-3-гидроксимасляной кислоты.
3. В связи с хорошо выраженными термоизоляционными свойствами липиды сохраняют тепло в организме, особенно у морских и полярных животных, выполняя тем самым защитную функцию. В виде жировой прокладки предохраняют тело и органы животных от механического повреждения, служат жировой смазкой для кожи. Восковой налет на листьях и плодах растений защищает от избыточного испарения и проникновения микроорганизмов. Липидные компоненты бактерий в значительной мере определяют их чувствительность или резистентность к антибиотикам. Некоторые из липидов имеют отношение к иммунитету (Гликолипиды).
4. Регуляторной активностью обладают простагландины, полипреноловые коферменты – переносчики. От свойств и структуры мембранных липидов во многом зависит активность мембраносвязанных ферментов, особенности протекания процессов окислительного фосфорилирования.
5. Будучи важнейшими компонентами нервных тканей, гликолипиды оказывают существенное влияние на функционирование нервной системы.
Липиды - важная составная часть пищи. Взрослому человеку требуется от 70 до 145 г жира в сутки в зависимости от трудовой деятельности, пола, климатических условий. Причем необходимы как животные, так и растительные жиры. Липиды являются высокоэнергетическими веществами, поэтому за их счет удовлетворяется 25-30% потребности человеческого организма в энергетическом материале. Кроме того, в составе животных жиров в организм поступают жирорастворимые витамины А, Д, К, Е, растительные жиры богаты непредельными жирными кислотами (витамин F), являющимися предшественниками простагландинов, исходным материалом для синтеза организмом фосфолипидов и других веществ.
Переваривание жира начинается в желудке, где находится фермент липаза. Основное расщепление липидов происходит в кишечнике, в первую очередь в двенадцатиперстной кишке под воздействием фермента поджелудочной железы липазы и желчи, поступающей из желчного пузыря. В результате ферментативного воздействия образуется очень тонкая жировая эмульсия, диаметр частиц которой не превышает 0,5 мкм. Такие эмульгированные жиры способны самостоятельно проходить через стенку кишечника и попадать в лимфатическую систему.
Витамины – низкомолекулярные органические соединения, которые, присутствуя в пище в небольших количествах, являются незаменимыми ее компонентами, обеспечивают нормальное протекание биохимических и физиологических процессов путем участия в регуляции метаболизма. Витамины не включаются в структуру тканей человека и животных и не используются в качестве источника энергии.
Многие витамины представляют собой исходный материал для биосинтеза коферментов и простетических групп ферментов. В этом состоит одна из основных причин необходимости витаминов для нормального протекания обменных процессов.
2. Растворимые в жирах (витамины А, К, Д, Е)
3. Витаминоподобные соединения.
Для характеристики обеспеченности организма каким-либо витамином принято различать три ее формы: авитаминоз, гиповитаминоз, гипервитаминоз. Первый термин применяют в отношении комплекса симптомов, развивающихся в результате достаточно длительного, полного или почти полного отсутствия одного из витаминов. Под гиповитаминозом понимают состояние, характеризующее частичную, но уже проявившуюся специфическим образом недостаточность витамина. Гипервитаминоз – комплекс патофизиологических и биохимических нарушений, возникающих вследствие длительного избыточного введения в организм любого из витаминов.
Каждый гиповитаминоз имеет свои характерные симптомы. Например, недостаток витамина А вызывает снижение зрения в темноте (гемералопию) и сухость роговицы (ксерофтальмию). Гиповитаминоз Д вызывает рахит. При авитаминозе К появляются подкожные и внутримышечные кровоизлияния. Недостаточность витаминов группы В проявляется в нарушении функции нервной системы различного характера, анемии, болезнях кожи, замедлении роста и др. Основные симптомы С-витаминной недостаточности: ломкость кровеносных капилляров, общая слабость, утомляемость, цинга.
Элементарная биохимия изучает вышеописанные вещества, их взаимные превращения, биосинтез, роль в обмене веществ, регуляции метаболизма, значение для народного хозяйства, возможности их использования в промышленности.
Невозможно представить в настоящее время практически ни одной естественной науки, которая не использовала бы достижения биохимии. Биологическая химия имеет и чисто научное (теоретическое) и, что наиболее важно, практическое (прикладное) значение.
Сельскохозяйственная наука использует биохимию для борьбы с насекомыми-вредителями, для создания удобрений, для селекции сортов растений и пород животных.
Пищевая промышленность использует достижения биохимии для производства легко усваиваемого детского питания, для обработки продуктов, подлежащих консервированию, для производства кисломолочных продуктов (ферменты в производстве сыра).
Генетика очень тесно взаимодействует с биохимией. Только благодаря использованию биохимических процессов и реакций возможно выделение генов, расшифровка генетического кода, воздействие на патологические гены с целью борьбы с генетическими заболеваниями.
Фармацевтическая промышленность использует результаты биохимических исследований для производства различных препаратов: Витаминов, ферментов, кровоостанавливающих лекарств, антибиотиков и т. д.
Радиология и биохимия также имеют точки соприкосновения. Существует отдельная наука – радиационная биохимия, которая изучает изменения обмена веществ, возникающие в организме при действии на него ионизирующего излучения. Воздействие радиации на организм может инициировать биохимические процессы, которые приводят к развитию лучевой болезни, рака, лейкозов, врождённых пороков развития у детей, бесплодия и других заболеваний.
Исходя из этого, конечно, наиболее прикладной характер имеет биохимия в медицине. Современные врачи проводят биохимические исследования крови, мочи, желудочного сока, спинномозговой жидкости и др. Имея результаты только биохимических исследований можно поставить диагнозы множества заболеваний (гепатита, почечной недостаточности, анемии, мочекаменной болезни, сахарного диабета и многих других). Ориентируясь на динамику изменения биохимических показателей, врачи назначают и корректируют дозы лекарственных средств и добиваются выздоровления.
Успехи Биохимии в значительной мере определяют не только современный уровень медицины, но и ее возможный дальнейший прогресс. Одной из основных проблем биохимии и молекулярной биологии становится исправление дефектов генетического аппарата. Радикальная терапия наследственных болезней, связанных с мутационными изменениями тех или иных генов, ответственных за синтез определенных белков и ферментов, в принципе возможна лишь путем трансплантации синтезированных in vitro или выделенных из клеток аналогичных «здоровых» генов. Весьма заманчивой задачей является также овладение механизмом регуляции считки генетической информации, закодированной в ДНК, и расшифровки на молекулярном уровне механизма клеточной дифференцировки в онтогенезе. Проблема терапии ряда вирусных заболеваний, особенно лейкозов, вероятно, не будет решена до тех пор, пока не будет полностью ясен механизм взаимодействия вирусов (в частности, онкогенных) с инфицируемой клеткой. В этом направлении интенсивно ведутся работы во многих лабораториях мира. Выяснение картины жизни на молекулярном уровне позволит не только полностью понять происходящие в организме процессы, но и откроет новые возможности в создании эффективных лекарственных средств, в борьбе с преждевременным старением, развитием сердечно-сосудистых заболеваний, продлении жизни.
1. Большая медицинская энциклопедия. Москва. Медицина. 1986г.
2. Шамин А. Н. «История биологической химии». Москва. Наука.1990г.
3. Анисимов А. А. «Основы биохимии». Москва. Высшая школа. 1987г.
4. Диксон М., Уэбб Э. «Ферменты». Москва. 1982г. Том 1.
5. Северин С. Е. «Липиды. Структура, биосинтез и функции». М. 1987г.
6. Смирнов М. И. А «Витамины». Москва. 1987г.
www.km.ru
Кафедра истории медицины и культурологии
Реферат
на тему:
«История биохимии»
Выполнил:
Преподаватель:
Москва – 2007
Оглавление
Основные этапы развития биохимии 2
Протобиохимия. 2
Биохимия XVII – XVIII веков. 2
Биохимия XIX века. Развитие классической биологической химии. 3
Век биохимии. 7
Список литературы. 8
Основные этапы развития биохимии
Можно выделить основные этапы развития биохимической науки:
1. «Протобиохимия». Концепции процессов жизнедеятельности и их природы, развиваемые в древности, античности, в период средневековья. Концепции жизнедеятельности в Эпоху Возрождения, привлечение их для описания и объяснения химических процессов.
2. Экспериментальное изучение процессов жизнедеятельности в 17-18 вв. Первые химические теории и объяснения процессов дыхания, пищеварения, брожения.
3. «Новая химия» и изучение методами химии живых организмов и процесс жизнедеятельности. Первый кризис методологии в области взаимодействия химии и биологии.
4. Формирование биологической химии в рамках редукционистских программ биологии второй половины 19 века.
5. Развитие классической биологической химии.
6. Прогресс биохимии и революция в биологии во второй половине 20 века – формирование физико-химической биологии. Методологические, эмпирические и теоретические основы этого процесса. Интегрирующая роль физико-химической биологии в системе биологических наук.
Изучение живой материи с химической стороны началось с того момента, когда возникла необходимость исследования составных частей живых организмов и совершающихся в них химических процессов в связи с запросами практической медицины и сельского хозяйства. Исследования средневековых алхимиков привели к накоплению большого фактического материала по природным органическим соединениям. В 16-17 вв. воззрения алхимиков получили развитие в трудах ятрохимиков, считавших, что жизнедеятельность организма человека можно правильно понять лишь с позиций химии. Так, один из виднейших представителей ятрохимии – немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс выдвинул прогрессивное положение о необходимости тесной связи химии с медициной, подчёркивая при этом, что задача алхимии не в изготовлении золота и серебра, а в создании того, что является силой и добродетелью медицины. Ятрохимики ввели в медицинскую практику препараты ртути, сурьмы, железа и других элементов. Позже И. Ван-Гельмонт высказал предположение о наличии в «соках» живого тела особых начал, так называемых «ферментов», участвующих в разнообразных химических превращениях.
В 17-18 вв. работали такие выдающиеся учёные как М.В. Ломоносов и А. Лавуазье, открывшие и утвердившие в науке закон сохранения материи (массы). Лавуазье внёс важнейший вклад в развитие не только химии, но и в изучение биологических процессов. Развивая более ранние наблюдения Майова, он показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Одновременно им же, вместе с Лапласом, было показано, что процесс биологического окисления является и источником животной теплоты. Это открытие стимулировало исследования по энергетике метаболизма, в результате чего уже в начале 19 века было определено количество тепла, выделяемого при сгорании углеводов, жиров и белков.
Крупными событиями второй половины 18 века стали исследования Р.Реомюра и Л. Спалланцани по физиологии пищеварения. Эти исследователи впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. Возникновение энзимологии (учение о ферментах), однако, обычно связывают с именами К.С. Кирхгофа, а также Пейена и Персо, впервые изучивших действие на крахмал фермента амилазы in vitro.
Важную роль сыграли работы Пристли и особенно Ингенхауса, открывших явление фотосинтеза (конец 18 века).
studfiles.net
Министерство образования Российской Федерации.
Санкт-Петербургский Государственный Институт Сервиса
и Экономики.
Элементарная биохимия.
| Реферат студентки группы № 017 1 курса факультета Экономики и Управления Сферой Сервиса Лизуновой Светланы Юрьевны Преподаватель Перевозников Евгений Николаевич |
Санкт-Петербург.
2000 год.
Содержание
| Определение биохимии, предмет изучения | 3 |
| История развития биохимии | 7 |
| Характеристика основных разделов биохимии | 13 |
| Белки | 13 |
| Ферменты | 15 |
| Нуклеиновые кислоты | 16 |
| Углеводы | 18 |
| Липиды | 19 |
| Витамины | 22 |
| Актуальность биохимии как науки | 23 |
| Некоторые перспективы развития биохимии | 24 |
| Список литературы | 26 |
БИОХИМИЯ (биологическая химия) – биологическая наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения и связь этих превращений с деятельностью органов и тканей. Совокупность процессов, неразрывно связанных с жизнедеятельностью, принято называть обменом веществ.[1]
За последние десятилетия из всех биологических наук наибольшее воздействие на развитие не только биологии, но и всего естествознания в целом оказала биохимия. Достижения биологии и в познавательном, и в практическом плане превзошли самые смелые прогнозы первой половины нашего века. Многое из того, что доступно современным биологам, ещё несколько лет назад представлялось фантастичным.
Учёным удалось проникнуть в глубь живой материи до уровня составляющих её молекул, надмолекулярных комплексов и их организованных ансамблей. Изучение материальных носителей жизнедеятельности – нуклеиновых кислот и белков – приобрело качественно новый характер. Совершенно заново стали осмысливать и экспериментально исследовать механизмы хранения, передачи и реализации наследственной информации, преобразования материи и энергии в клетке, иммунитета, передачи нервных импульсов и восприятия клеткой сигналов и воздействий внешней среды, принципы гуморальной регуляции и многое другое.
Совершенно новым стало и изучение разнообразных регуляторов процессов, протекающих в клетках и тканях, гормонов, нейропептидов, простагландинов и т. п. Сформировалась совершенно новая система проблем, в которых фундаментальные познавательные задачи оказались сближенными с практическим приложением необычайно высокой эффективности (идёт ли речь о функционировании ферментов, раскрытии механизмов фотосинтеза, зрения, нервной регуляции, деятельности мозга, защиты от инфекций и многого другого, включая важнейшую проблему манипулирования с генетическим материалом).
Всё это привело к тому, что за последнюю четверть века – срок необычайно короткий, если подходить к нему с установившимися историческими мерками, - структура биологии подверглась значительным переменам.
Внедрение методов химии в биологию содействовало тому, что формирующаяся биохимия оказалась среди биологических наук наилучшим образом подготовленной для проникновения в тайны функционирования клетки. Именно благодаря этому она превратилась из «служанки физиологии» в самостоятельную, методологически необычайно важную область биологии. В поисках ответа на вопрос, как функционирует клетка, биохимия определила цитологию и первой проникла в мир субклеточных образований. Прогресс генетики также на определённом этапе зависел от развития биохимических методик и концепций.[2]
Изучение состава живых организмов издавна привлекало внимание учёных, поскольку к числу веществ, входящих в состав живых организмов, помимо воды, минеральных элементов, липидов, углеводов и т. д., относится ряд наиболее сложных органических соединений: белки и их комплексы с рядом других биополимеров, в первую очередь с нуклеиновыми кислотами.
Установлена возможность спонтанного объединения (при определённых условиях) большого числа белковых молекул с образованием сложных надмолекулярных структур, например, белкового чехла хвоста фага, некоторых клеточных органоидов и т. д. Это позволило ввести понятие о само собирающихся системах. Такого рода исследования создают предпосылки для решения проблемы образования сложнейших надмолекулярных структур, обладающих признаками и свойствами живой материи, из высокомолекулярных органических соединений, возникших некогда в природе абиогенным путём.
Современная биохимия как самостоятельная наука сложилась на рубеже 19 и 20 вв. До этого времени вопросы, рассматриваемые ныне биохимией, изучались с разных сторон органической химией и физиологией. Органическая химия, изучающая углеродистые соединения вообще, занимается, в частности, анализом и синтезом тех химических соединений, которые входят в состав живой ткани. Физиология же наряду с изучением жизненных функций изучает и химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности. Таким образом, биохимия является продуктом развития этих наук и её можно подразделить на две части: статическую (или структурную) и динамическую. Статическая биохимия занимается изучением природных органических веществ, их анализом и синтезом, тогда как динамическая биохимия изучает всю совокупность химических превращений тех или иных органических соединений в процессе жизнедеятельности. Динамическая биохимия, таким образом, стоит ближе к физиологии и медицине, чем к органической химии. Этим и объясняется то, что вначале биохимия называлась физиологической (или медицинской) химией.[3]
Как всякая быстро развивающаяся наука, биохимия вскоре после своего возникновения начала делится на ряд обособленных дисциплин: биохимия человека и животных, биохимия растений, биохимия микробов (микроорганизмов) и ряд других, поскольку, несмотря на биохимическое единство всего живого, в животных и растительных организмах существуют и коренные различия в характере обмена веществ. В первую очередь это касается процессов ассимиляции. Растения, в отличие от животных организмов, обладают способностью использовать для построения своего тела такие простые химические вещества, как углекислый газ, вода, соли азотной и азотистой кислот, аммиак и др. При этом процесс построения клеток растений требует для своего осуществления притока энергии извне в форме солнечного света. Использование этой энергии первично осуществляют зелёные аутотрофные организмы (растения, простейшие, ряд бактерий), которые в свою очередь сами служат пищей для всех остальных так называемых гетеротрофных организмов (в том числе и человека), населяющих биосферу. Таким образом, выделение биохимии растений в особую дисциплину является обоснованным как с теоретической, так и с практической сторон.
Развитие ряда отраслей промышленности и сельского хозяйства (переработка сырья растительного и животного происхождения, приготовление пищевых продуктов, изготовление витаминных и гормональных препаратов, антибиотиков и т.д.) привело к выделению в особый раздел технической биохимии.
При изучении химизма различных микроорганизмов исследователи столкнулись с целым рядом специфических веществ и процессов, представляющих большой научно-практический интерес (антибиотики микробного и грибкового происхождения, различные виды брожений, имеющие промышленное значение, образование белковых веществ из углеводов и простейших азотистых соединений и т. д.). Все эти вопросы рассматривают в биохимии микроорганизмов.
В 20 веке возникла как особая дисциплина биохимия вирусов.
Потребностями клинической медицины было вызвано появление клинической биохимии.
Из других разделов биохимии, которые обычно рассматриваются как достаточно обособленные дисциплины, имеющие свои задачи и специфические методы исследования, следует назвать: эволюционную и сравнительную биохимию (биохимические процессы и химический состав организмов на различных стадиях их эволюционного развития), энзимология (структура и функции ферментов, кинетика ферментативных реакций), биохимию витаминов, гормонов, радиационную биохимию, квантовую биохимию (сопоставление свойств, функций и путей превращения биологически важных соединений с их электронными характеристиками, полученными с помощью квантово-химических расчётов).
Особенно перспективным оказалось изучение структуры и функции белков и нуклеиновых кислот на молекулярном уровне. Этот круг вопросов изучается науками, возникшими на стыках биохимии с биологией и генетикой.[4]
История развития биохимии.
Можно выделить основные этапы развития биохимической науки.
1. «Протобиохимия». Концепции процессов жизнедеятельности и их природы, развиваемые в древности, античности, в период средневековья. Концепции жизнедеятельности в Эпоху Возрождения, привлечение их для описания и объяснения химических процессов.
2. Экспериментальное изучение процессов жизнедеятельности в 17-18 вв. Первые химические теории и объяснения процессов дыхания, пищеварения, брожения.
3. «Новая химия» и изучение методами химии живых организмов и процесс жизнедеятельности. Первый кризис методологии в области взаимодействия химии и биологии.
4. Формирование биологической химии в рамках редукционистских программ биологии второй половины 19 века.
5. Развитие классической биологической химии.
6. Прогресс биохимии и революция в биологии во второй половине 20 века – формирование физико-химической биологии. Методологические, эмпирические и теоретические основы этого процесса. Интегрирующая роль физико-химической биологии в системе биологических наук.[5]
Изучение живой материи с химической стороны началось с того момента, когда возникла необходимость исследования составных частей живых организмов и совершающихся в них химических процессов в связи с запросами практической медицины и сельского хозяйства. Исследования средневековых алхимиков привели к накоплению большого фактического материала по природным органическим соединениям. В 16-17 вв. воззрения алхимиков получили развитие в трудах ятрохимиков, считавших, что жизнедеятельность организма человека можно правильно понять лишь с позиций химии. Так, один из виднейших представителей ятрохимии – немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс выдвинул прогрессивное положение о необходимости тесной связи химии с медициной, подчёркивая при этом, что задача алхимии не в изготовлении золота и серебра, а в создании того, что является силой и добродетелью медицины. Ятрохимики ввели в медицинскую практику препараты ртути, сурьмы, железа и других элементов. Позже И. Ван-Гельмонт высказал предположение о наличии в «соках» живого тела особых начал, так называемых «ферментов», участвующих в разнообразных химических превращениях.[6]
В 17-18 вв. работали такие выдающиеся учёные как М.В. Ломоносов и А. Лавуазье, открывшие и утвердившие в науке закон сохранения материи (массы). Лавуазье внёс важнейший вклад в развитие не только химии, но и в изучение биологических процессов. Развивая более ранние наблюдения Майова, он показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Одновременно им же, вместе с Лапласом, было показано, что процесс биологического окисления является и источником животной теплоты. Это открытие стимулировало исследования по энергетике метаболизма, в результате чего уже в начале 19 века было определено количество тепла, выделяемого при сгорании углеводов, жиров и белков.
Крупными событиями второй половины 18 века стали исследования Р.Реомюра и Л.Спалланцани по физиологии пищеварения. Эти исследователи впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. Возникновение энзимологии (учение о ферментах), однако, обычно связывают с именами К.С. Кирхгофа, а также Пейена и Персо, впервые изучивших действие на крахмал фермента амилазы in vitro.
Важную роль сыграли работы Пристли и особенно Ингенхауса, открывших явление фотосинтеза (конец 18 века).
На рубеже 18 и 19 вв. были проведены и другие фундаментальные исследования в области сравнительной биохимии; тогда же было установлено существование круговорота веществ в природе.
Успехи статической биохимии с самого начала были неразрывно связаны с развитием органической химии.
Толчком к развитию химии природных соединений явились исследования шведского химика К. Шееле (1742-1786 гг.). Он выделил и описал свойства целого ряда природных соединений – молочную, винную, лимонную, щавелевую, яблочную кислоты, глицерин и амиловый спирт и др. Большое значение имели исследования И.Берцелиуса и Ю.Либиха, закончившиеся разработкой в начале 19 века методов количественного элементарного анализа органических соединений. Вслед за этим начались попытки синтезировать природные органические вещества. Достигнутые успехи – синтез в 1828 году мочевины, уксусной кислоты (1844 г.), жиров (1850 г.), углеводов (1861 г.) – имели особенно большое значение, так как показали возможность синтеза in vitro ряда органических веществ, входящих в состав животных тканей или же являющихся конечными продуктами обмена. Во второй половине 18 – начале 19 века были проведены и другие важные исследования: из мочевых камней была выделена мочевая кислота, из желчи – холестерин, из меда – глюкоза и фруктоза, из листьев зеленых растений – пигмент хлорофилл, в составе мышц был открыт креатин. Было показано существование особой группы органических соединений – растительных алкалоидов, нашедших позднее применение в медицинской практике. Из желатины и бычьего мяса путем их гидролиза были получены первые аминокислоты: глицин и лейцин.
Во Франции в лаборатории К. Бернара в составе ткани печени был открыт гликоген (1857), изучены пути его образования и механизмы, регулирующие его расщепление. В Германии в лабораториях Э. Фишера, Э. Ф. Гоппе-Зейлера, А. Косселя и других были изучены структура и свойства белков, а также продуктов их гидролиза, в том числе и ферментативного.
В связи с описанием дрожжевых клеток (1836-1838гг.) начали активно изучать процесс брожения (Либих, Пастер и др.). Вопреки мнению Либиха, рассматривавшего процесс брожения как чисто химический, протекающий с обязательным участием кислорода, Л. Пастер установил возможность существования анаэробиоза, то есть жизни в отсутствии воздуха, за счет энергии брожения. Бухнеру удалось получить из дрожжевых клеток бесклеточный сок, способный, подобно живым дрожжам, сбраживать сахар с образованием спирта и углекислоты.
Накопление большого количества сведений относительно химического состава растительных и животных организмов и химических процессов, протекающих в них, привело к необходимости систематизации и обобщений в области биохимии. Первой работы в этом плане был учебник Зимона (1842). Очевидно, именно с этого времени термин «биологическая (физиологическая) химия» утвердился в науке. В России первый учебник физиологической химии был издан профессором Харьковского университета А. И. Ходневым в 1847 году. Периодическая литература по биологической химии регулярно начала выходить с 1873 года в Германии. Позднее биохимические журналы начали издаваться во многих странах мира на английском, французском, русском и других языках. Во второй половине 19 века на медицинских факультетах многих русских и зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры медицинской, или физиологической химии.
Подлинный расцвет биохимии наступил в 20 веке. В самом начале его была сформулирована и экспериментально обоснована полипептидная теория строения белков (Э. Фишер 1901-1902гг.). Позднее был разработан ряд аналитических методов, позволяющих изучить аминокислотный состав белка (хроматография, рентгеноструктурный анализ, метод изотопной индикации, цитоспектрофотометрия, электронная микроскопия). Расшифровывается первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура многих белков. Синтезируется ряд важных белковых веществ.
Выдающееся значение имели работы Л. Полинга, В. Виньо, Ф. Сэнгера, С. Мура, Д. Филлипса, Дж. Нортропа, М. М. Шемякина, Ф. Штрауба и др.
Блестящие работы Чаргаффа, Дж. Уотсона и Ф. Крика завершаются выяснением структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Устанавливается двухспиральная структура ДНК и роль ее в передаче наследственной информации. Осуществляется синтез ДНК и РНК. Решается (1962 и последующие годы) одна из центральных проблем современной биохимии – расшифровывается РНК – аминокислотный код. Вводится понятие о молекулярных болезнях, связанных с определенными дефектами в структуре ДНК хромосомного аппарата клетки.
Ранее классическими исследованиями И. П. Павлова и его школы раскрываются основные физиологические и биохимические механизмы работы пищеварительных желез. Устанавливается существование заменимых и незаменимых аминокислот, разрабатываются нормы белка в питании. Детальному изучению подвергаются особенности процесса азотистого обмена у растений. Особое место заняло изучение нарушений азотистого обмена у животных и человека при белковой недостаточности. Детально исследуются продукты распада гемоглобина, расшифровываются пути образования гема.
Выдающиеся успехи достигнуты в расшифровке структуры важнейших углеводов и механизмов углеводного обмена. Подробно выяснено превращение углеводов в пищеварительном тракте под влиянием пищеварительных ферментов и кишечных микроорганизмов. Выясняются биохимические механизмы нарушения углеводного обмена (диабет, галактоземия, гликогенозы и др.), связанные с наследственными дефектами соответствующих ферментативных систем.
Достигнуты успехи в расшифровке структуры липидов: фосфолипидов, цереброзидов, ганглеозидов. Создается теория b-окисления жирных кислот. Разработаны современные представления о путях окисления и синтеза жирных кислот и сложных липидов. Значительный прогресс достигнут при изучении механизма биологического окисления, тканевого дыхания. Разработаны методы количественного определения целого ряда биохимических компонентов крови и тканей.
В. А. Энгельгардтом, а также Липманном было введено понятие о «богатых энергией» фосфорных соединениях, в частности АТФ, в макроэргических связях которых аккумулируется значительная часть энергии, освобождающейся при тканевом дыхании.
20 век ознаменовался расшифровкой химического строения всех известных в настоящее время витаминов. Вводятся международные единицы витаминов, устанавливаются потребности в витаминах человека и животных, создается витаминная промышленность.
Не менее значительные успехи достигнуты в области биохимии гормонов. Получены первые данные о механизме действия гормонов на обмен веществ. Расшифрован механизм регуляции функций эндокринных желёз по принципу обратной связи.
Возникает новое направление в биохимии – нейрохимия. Установлены особенности в химическом составе нервной ткани. Вводятся в медицинскую практику различные психофармакологические вещества, открывающие новые возможности в лечении нервных заболеваний. Широко используются, особенно в сельском хозяйстве ингибиторы холинэстеразы (медиатора, действующего на нервные окончания) для борьбы с насекомыми-вредителями.
Важные результаты получены при изучении состава и свойств крови: изучена дыхательная функция крови в норме и при ряде патологических состояний; выяснен механизм переноса кислорода от лёгких к тканям и углекислоты от тканей к лёгким; уточнены и расшифрованы представления о механизме свёртывания крови, изучены факторы, при врождённом отсутствии которых в крови наблюдаются различные формы гемофилии.
В развитии современной биохимии важную роль сыграла разработка ряда специальных методов исследования: изотопной индикации, дифференциального центрифугирования, спектрофотометрии, электронного парамагнитного резонанса и др.[7]
Характеристика основных разделов элементарной биохимии.
Белки[8]
В настоящее время установлено, что в живой природе не существует небелковых организмов.
Белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, образующие при гидролизе аминокислоты. В организме животных белков содержится до 40-50 % и более на сухую массу, у растений до 20-35%.Разнообразны и очень важны функции белков.
Строительная, структурная функция. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с липидами они являются основным структурным материалом всех клеточных мембран, всех органелл.
Каталитическая функция. Практически все биохимические реакции катализируются белками-ферментами.
Двигательная функция. Любые формы движения в живой природе (работа мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших) осуществляются белковыми структурами клеток.
Транспортная функция. Белок крови гемоглобин транспортирует кислород от легких к тканям и органам. Есть белки крови, транспортирующие липиды, железо, стероидные гормоны. Перенос многих веществ через клеточные мембраны осуществляют особые белки-переносчики.
Защитная функция. Важнейшие факторы иммунитета – антитела и система комплемента являются белками. Процесс свертывания крови, защищающий организм от чрезмерной кровопотери происходит с участием белков фибриногена, тромбина и других факторов свертывания, тоже являющихся белками. Внутренние стенки пищевода, желудка выстланы защитным слоем слизистых белков – муцинов. Основу кожи, предохраняющей тело от многих внешних воздействий, составляет белок коллаген.
Гормональная функция. Ряд гормонов по своему строению относится к белкам (инсулин) или пептидам (АКТГ, окситоцин, вазопрессин).
Опорная функция. Сухожилия, суставные сочленения, кости скелета образованы в значительной степени белками.
Запасная функция. Белки способны образовывать запасные отложения (овальбумин яиц, казеин молока, многие белки семян).
Белки имеют большое народнохозяйственное значение. Белки являются основными компонентами пищи человека и животных. Многие заболевания связаны с хроническим белковым голоданием. Технология многих производств основана на переработке белков, Изменении их свойств.
Структурными элементами белков являются аминокислоты.
Аминокислоты можно рассматривать как производные карбоновых кислот, в которых один из водородов углеродной цепи замещен на группу Nh3.
Строение белковой молекулы. Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной или амидной связью. Образование ее происходит за счет аминогруппы (Nh3)одной аминокислоты и карбоксильной (СООН) группы другой с выделением молекулы воды.
Структура молекулы белка имеет четыре уровня. Первичная структура белковой молекулы это порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи. Вторичная структура – это упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи, она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами. Третичная структура описывает пространственную укладку всей молекулы белка. В поддержании третичной структуры белка, ее закреплении принимают участие различные типы связей (ковалентные, ионные, водородные и гидрофобные взаимодействия). Под четвертичной структурой понимают способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в молекуле, характер связей между ними.
Все белки принято делить на две группы: простые, или протеины (состоят только из аминокислот), и сложные (в их молекуле помимо белковой части содержится и небелковая, простетическая): хромопротеины, липопротеины, нуклеопротеины и т. д.
Ферменты[9]
Ферменты, или энзимы, - это катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах.
Являясь катализаторами – веществами, ускоряющими реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими, небиологическими катализаторами.
1. Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде. Они не расходуются в процессе катализа.
2. Ферменты не могут возбудить реакций, противоречащих законам термодинамики, они только ускоряют те реакции, которые могут протекать и без них.
3. Ферменты, как правило, не смещают положения равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.
Для ферментов характерны и специфические свойства, отличающие их от химических катализаторов, выражающих их химическую природу.
1. По химическому строению молекулы все ферменты являются белками.
2. Эффективность ферментов выше, чем небиологических катализаторов.
3. Ферменты обладают узкой специфичностью, избирательностью действия на субстраты, т.е. на вещества, превращения, которых они катализируют.
4. Одним из важнейших свойств ферментов является их регулируемость.
При ферментативных реакциях в отличие от неферментативных наблюдаются лишь незначительные побочные процессы, для ферментативных реакций характерен почти 100% выход продуктов.
Согласно классификации, все ферменты разделяются на шесть классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций.
1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции.
2. Трансферазы. Катализируют реакции переноса группировок с одного соединения на другое.
3. Гидролазы. Ускоряют гидролитическое расщепление веществ.
4. Лиазы. Катализируют реакции негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям.
5. Изомеразы. Катализируют реакции изомерации соединений.
6. Лигазы (синтетазы). Ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений.
Ферментативные препараты находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В хлебопекарном производстве для ускорения гидролиза крахмала и улучшения качества теста используют амилазы. При приготовлении детской пищи с целью облегчения переваривания углеводов и белков исходные продукты обрабатываются амилазой и протеиназами. Специфические протеиназы используют в виноделии, в кожевенной промышленности, при производстве синтетических моющих средств. Ферменты используют как лекарственные средства: пепсин, трипсин, химотрипсин, лидаза, стрептокиназа…
Нуклеиновые кислоты[10]
Нуклеиновые кислоты – это сложные соединения, состоящие из пуринового или пиримидинового азотистого основания, моносахарида пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.
Нуклеиновые кислоты – важнейший компонент всех живых организмов, всех живых клеток. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков. Каждый живой организм содержит свои специфические белки, которыми он отличается то других организмов. Информация, определяющая особенности структуры белков, «записана» в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК. Все нуклеиновые кислоты делятся на два типа в зависимости от того, какой моносахарид входит в их состав; рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит рибозу, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит дезоксирибозу.
Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических, гетероциклических соединений – пурина и пиримидина. Среди пуриновых азотистых оснований главную роль играют аденин (А) и гуанин (Г), а среди пиримидиновых оснований – цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т). В состав ДНК входят аденин, цитозин, гуанин, тимин; в РНК вместо тимина присутствует урацил.
ДНК подобно белкам имеет первичную, вторичную и третичную структуру. Хромосомы животных, бактерий, вирусов содержат по одной непрерывной ДНК-спирали огромной длины по сравнению с размерами ядра. Более 99% ДНК клетки находится в ее ядре и около 1% в цитоплазме. Наследственная информация передается с помощью уникальной последовательности участков ядерной ДНК.
Содержащиеся в клетке РНК различаются размером, составом, функциями и локализацией. В цитоплазме содержится РНК нескольких видов: транспортная РНК (тРНК), информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК). В ядре локализована ядерная РНК (яРНК), количество которой составляет от 4 до 10% от суммарной клеточной РНК.
Синтез РНК, ДНК и белка очень сложные, взаимосвязанные процессы, которыми вплотную занимается такая наука, как генная инженерия. Основная задача генной инженерии – получение молекул ДНК in vitro, их размножение и введение в организм с целью получения новых наследственных свойств.
Углеводы[11]
Углеводами называют альдегиды и кетоны многоатомных спиртов и полимеры этих соединений. В биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений вместе взятых. В растительном мире на их долю приходится 80-90% из расчета на сухое вещество. В животном организме углеводов содержится около 2% массы тела, но значение их одинаково велико для всех живых организмов, о чем свидетельствуют те важные функции, которые они выполняют.
1. Энергетическая. Окисляясь в процессе дыхания, углеводы выделяют заключенную в них энергию и обеспечивают значительную часть потребности организма в ней. При окислении 1г углеводов выделяется 16,9 кДж энергии.
2. Пластическая. Углеводы используются для синтеза многих важных для организма веществ: нуклеиновых кислот, органических кислот, а из них – аминокислот и далее белков, липидов и т. д.
3. Защитная. Углеводы – основные компоненты оболочек растительных тканей, они участвуют в построении наружного скелета насекомых и ракообразных, в образовании клеточных стенок бактерий и клеточных мембран всех живых организмов.
4. Опорная. Целлюлоза и другие полисахариды оболочек растений не только защищают клетки от внешних воздействий, но и образуют прочный остов растения. В комплексе с белками углеводы входят в состав хрящевых тканей человека и животных.
5. Специфические функции углеводов. Углеводы определяют антигенную специфичность, обусловливают различия групп крови и др.
6. Углеводы выполняют также функцию запасных питательных веществ.
Углеводы подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
К моносахаридам относятся углеводы и их производные, которые не способны расщепляться без потери основных углеводных свойств.
Олигосахариды гидролизуются с образованием небольшого числа моносахаридов (от 2 до 10).
Полисахариды (гликаны) представляют собой высокомолекулярные полимеры моносахаридов и их производных. Число остатков моносахаридных единиц в них от 10 до нескольких тысяч.
Образование углеводов происходит в растениях в процессе фотосинтеза и в микроорганизмах в процессе хемосинтеза.
Человек и животные не способны к первичному биосинтезу углеводов из неорганических веществ, они могут лишь образовывать их в процессе глюконеогенеза из других органических веществ (органических кислот, жиров, аминокислот), но главным источником углеводов является пища. Углеводы составляют существенную часть рациона человека и многих животных. На их долю приходится 60-70% общей суммы калорий пищи человека. Углеводы всасываются через слизистую оболочку кишечника только в виде моносахаридов. Для расщепления и переваривания крупных полисахаридов в пищеварительном тракте имеются десятки различных ферментных систем. В результате последовательного воздействия ферментов углеводы превращаются в моносахариды, они хорошо всасываются через кишечную стенку в кровь и разносятся по организму для выполнения своих функций.
Липиды[12]
Липидами называются неоднородные в химическом отношении вещества, общим свойством которых является хорошая растворимость в неполярных органических растворителях: эфире, ацетоне, хлороформе, бензоле и т. п. По своему химизму липиды, в большинстве случаев, представляют собой сложные эфиры высших жирных кислот с глицерином или некоторыми другими спиртами специфического строения. В составе ряда липидов кроме этих компонентов встречаются фосфорная кислота, азотистые основания, или углеводы. В экстракте, полученном при обработке животных или растительных тканей органическими растворителями, присутствуют обычно высшие и полициклические спирты, жирорастворимые витамины, которые некоторые авторы также относят к классу липидов.
Липиды могут быть классифицированы следующим образом:
1. Нейтральные жиры и свободные жирные кислоты
2. Фосфолипиды
3. Гликолипиды
4. Стероиды
5. Воска
6. Терпены
Функции этого класса соединений важны и разнообразны.
1. Прежде всего, липиды в виде комплекса с белками являются структурными элементами мембран клеток и клеточных органелл. В связи с этим они определяют транспорт веществ в клетки и участвуют в ряде других процессов, связанных с функционированием мембран.
2. Липиды служат также энергетическим материалом для организма. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии, т. е. В 2 раза больше, чем при расщеплении 1 г углеводов. Одновременно липиды являются запасными веществами, в форме которых депонируется метаболическое топливо. Определенное исключение в этом отношении составляют бактерии: у большинства из них накопление энергии осуществляется в нелипидной форме (гликоген) и только 9у некоторых видов – в форме поли-3-гидроксимасляной кислоты.
3. В связи с хорошо выраженными термоизоляционными свойствами липиды сохраняют тепло в организме, особенно у морских и полярных животных, выполняя тем самым защитную функцию. В виде жировой прокладки предохраняют тело и органы животных от механического повреждения, служат жировой смазкой для кожи. Восковой налет на листьях и плодах растений защищает от избыточного испарения и проникновения микроорганизмов. Липидные компоненты бактерий в значительной мере определяют их чувствительность или резистентность к антибиотикам. Некоторые из липидов имеют отношение к иммунитету (Гликолипиды).
4. Регуляторной активностью обладают простагландины, полипреноловые коферменты – переносчики. От свойств и структуры мембранных липидов во многом зависит активность мембраносвязанных ферментов, особенности протекания процессов окислительного фосфорилирования.
5. Будучи важнейшими компонентами нервных тканей, гликолипиды оказывают существенное влияние на функционирование нервной системы.
Липиды - важная составная часть пищи. Взрослому человеку требуется от 70 до 145 г жира в сутки в зависимости от трудовой деятельности, пола, климатических условий. Причем необходимы как животные, так и растительные жиры. Липиды являются высокоэнергетическими веществами, поэтому за их счет удовлетворяется 25-30% потребности человеческого организма в энергетическом материале. Кроме того, в составе животных жиров в организм поступают жирорастворимые витамины А, Д, К, Е, растительные жиры богаты непредельными жирными кислотами (витамин F), являющимися предшественниками простагландинов, исходным материалом для синтеза организмом фосфолипидов и других веществ.
Переваривание жира начинается в желудке, где находится фермент липаза. Основное расщепление липидов происходит в кишечнике, в первую очередь в двенадцатиперстной кишке под воздействием фермента поджелудочной железы липазы и желчи, поступающей из желчного пузыря. В результате ферментативного воздействия образуется очень тонкая жировая эмульсия, диаметр частиц которой не превышает 0,5 мкм. Такие эмульгированные жиры способны самостоятельно проходить через стенку кишечника и попадать в лимфатическую систему.
Витамины[13]
Витамины – низкомолекулярные органические соединения, которые, присутствуя в пище в небольших количествах, являются незаменимыми ее компонентами, обеспечивают нормальное протекание биохимических и физиологических процессов путем участия в регуляции метаболизма. Витамины не включаются в структуру тканей человека и животных и не используются в качестве источника энергии.
Многие витамины представляют собой исходный материал для биосинтеза коферментов и простетических групп ферментов. В этом состоит одна из основных причин необходимости витаминов для нормального протекания обменных процессов.
Витамины делят на:
1. Растворимые в воде (витамины В1, В2, В6, В12, С)
2. Растворимые в жирах (витамины А, К, Д, Е)
3. Витаминоподобные соединения.
Для характеристики обеспеченности организма каким-либо витамином принято различать три ее формы: авитаминоз, гиповитаминоз, гипервитаминоз. Первый термин применяют в отношении комплекса симптомов, развивающихся в результате достаточно длительного, полного или почти полного отсутствия одного из витаминов. Под гиповитаминозом понимают состояние, характеризующее частичную, но уже проявившуюся специфическим образом недостаточность витамина. Гипервитаминоз – комплекс патофизиологических и биохимических нарушений, возникающих вследствие длительного избыточного введения в организм любого из витаминов.
Каждый гиповитаминоз имеет свои характерные симптомы. Например, недостаток витамина А вызывает снижение зрения в темноте (гемералопию) и сухость роговицы (ксерофтальмию). Гиповитаминоз Д вызывает рахит. При авитаминозе К появляются подкожные и внутримышечные кровоизлияния. Недостаточность витаминов группы В проявляется в нарушении функции нервной системы различного характера, анемии, болезнях кожи, замедлении роста и др. Основные симптомы С-витаминной недостаточности: ломкость кровеносных капилляров, общая слабость, утомляемость, цинга.
Элементарная биохимия изучает вышеописанные вещества, их взаимные превращения, биосинтез, роль в обмене веществ, регуляции метаболизма, значение для народного хозяйства, возможности их использования в промышленности.
Актуальность биохимии как науки.
Невозможно представить в настоящее время практически ни одной естественной науки, которая не использовала бы достижения биохимии. Биологическая химия имеет и чисто научное (теоретическое) и, что наиболее важно, практическое (прикладное) значение.
Сельскохозяйственная наука использует биохимию для борьбы с насекомыми-вредителями, для создания удобрений, для селекции сортов растений и пород животных.
Пищевая промышленность использует достижения биохимии для производства легко усваиваемого детского питания, для обработки продуктов, подлежащих консервированию, для производства кисломолочных продуктов (ферменты в производстве сыра).
Генетика очень тесно взаимодействует с биохимией. Только благодаря использованию биохимических процессов и реакций возможно выделение генов, расшифровка генетического кода, воздействие на патологические гены с целью борьбы с генетическими заболеваниями.
Фармацевтическая промышленность использует результаты биохимических исследований для производства различных препаратов: Витаминов, ферментов, кровоостанавливающих лекарств, антибиотиков и т. д.
Радиология и биохимия также имеют точки соприкосновения. Существует отдельная наука – радиационная биохимия, которая изучает изменения обмена веществ, возникающие в организме при действии на него ионизирующего излучения. Воздействие радиации на организм может инициировать биохимические процессы, которые приводят к развитию лучевой болезни, рака, лейкозов, врождённых пороков развития у детей, бесплодия и других заболеваний.
Исходя из этого, конечно, наиболее прикладной характер имеет биохимия в медицине. Современные врачи проводят биохимические исследования крови, мочи, желудочного сока, спинномозговой жидкости и др. Имея результаты только биохимических исследований можно поставить диагнозы множества заболеваний (гепатита, почечной недостаточности, анемии, мочекаменной болезни, сахарного диабета и многих других). Ориентируясь на динамику изменения биохимических показателей, врачи назначают и корректируют дозы лекарственных средств и добиваются выздоровления.
Некоторые перспективы развития биохимии.
Успехи Биохимии в значительной мере определяют не только современный уровень медицины, но и ее возможный дальнейший прогресс. Одной из основных проблем биохимии и молекулярной биологии становится исправление дефектов генетического аппарата. Радикальная терапия наследственных болезней, связанных с мутационными изменениями тех или иных генов, ответственных за синтез определенных белков и ферментов, в принципе возможна лишь путем трансплантации синтезированных in vitro или выделенных из клеток аналогичных «здоровых» генов. Весьма заманчивой задачей является также овладение механизмом регуляции считки генетической информации, закодированной в ДНК, и расшифровки на молекулярном уровне механизма клеточной дифференцировки в онтогенезе. Проблема терапии ряда вирусных заболеваний, особенно лейкозов, вероятно, не будет решена до тех пор, пока не будет полностью ясен механизм взаимодействия вирусов (в частности, онкогенных) с инфицируемой клеткой. В этом направлении интенсивно ведутся работы во многих лабораториях мира. Выяснение картины жизни на молекулярном уровне позволит не только полностью понять происходящие в организме процессы, но и откроет новые возможности в создании эффективных лекарственных средств, в борьбе с преждевременным старением, развитием сердечно-сосудистых заболеваний, продлении жизни.
Список литературы.
1. Большая медицинская энциклопедия. Москва. Медицина. 1986г.
2. Шамин А. Н. «История биологической химии». Москва. Наука.1990г.
3. Анисимов А. А. «Основы биохимии». Москва. Высшая школа. 1987г.
4. Диксон М., Уэбб Э. «Ферменты». Москва. 1982г. Том 1.
5. Северин С. Е. «Липиды. Структура, биосинтез и функции». М. 1987г.
6. Смирнов М. И. А «Витамины». Москва. 1987г.
[1] Большая Медицинская Энциклопедия . Москва. Медицина. 1986г.
[2] Шамин А. Н. «История биологической химии» Москва. Наука. 1990г.
[3] Большая Медицинская Энциклопедия. Москва. Медицина. 1986г.
[4] Шамин А. Н. «История биологической химии» Москва. Наука. 1990г.
[5] Шамин А. Н. «История биологической химии» Москва. Наука. 1990г.
[6] Большая Медицинская Энциклопедия. Москва. Медицина. 1986г.
[7] Шамин А. Н. «История биологической химии». Москва. Наука. 1990г.
[8] Анисимов А. А. «Основы биохимии». Москва. Высшая школа. 1987г.
[9] Диксон М. Уэбб Э. «Ферменты». Москва. 1982г. Том 1.
[10] Анисимов А. А. «Основы биохимии» Москва. Высшая школа. 1987г.
[11] Анисимов А. А. «Основы биохимии» Москва. Высшая школа. 1987г.
[12] Северин С. Е. «Липиды. Структура, биосинтез и функции» Москва. 1987г.
[13] Смирнов М. И. «Витамины» Москва. 1987г.
www.neuch.ru
