Лекция № 1

Лекция № 1 Тема 1  Биохимия как базовая составляющая физико –химической биологии. Методы биохимических исследований. Химический состав организмов. Характеристика основных классов органических соединений. Функциональная биохимия субклеточных структур. . ПЛАН Биохимия как базовая составляющая физико – химической биологии. Предмет Методы биохимических исследований.  Химический состав организмов. Характеристика основных классов органических соединений.  Функциональная биохимия субклеточных структур. (Самостоятельно) 1. биохимии. 2. 3. 4. 5. Определение:  Биологическая   химия  это  наука  о качественном составе,   количественном содержании и преобразованиях  в жизненных процессах соединений, образующих живую материю. Биохимия как наука оформилась во второй половине 19 века. В различных университетах открылись кафедры биохимии и преподавание этого предмета стало обязательным для биологов и химиков. Биохимия   сформировалась   на   основе   достижений   органической   химии   (интенсивно осуществлялся процесс изучения природных соединений) и физиологии исследования в области исследования процессов, протекающих в живых организмах.  Последние годы биохимия бурно развивается т.к. развиваются и совершенствуются методы исследования биологических систем. (Пастер –брожение­ химизм  изучен только в наше время). Статистическую – изучение химического состава; Биохимия подразделяется на Динамическую  –   изучение   превращений   химических   соединений   и   связанного   с   этим энергетического обмена. Функциональную –  этот раздел биохимии выясняет связи   между строением химических соединений и процессами их видоизменения. (например – действие гормонов). В зависимости от объекта исследования биохимия распадается  на :   Общую биохимию­ рассматривает закономерности строения , содержания и преобразования органических веществ в процессе жизнедеятельности организмов. Биоорганическая химия – выясняет физико ­ химические основы функционирования систем клетки   используя   различные   химические   методы   (структурный,   стереохимический   анализ, разработку   технологических   методов   получения   природных   веществ   и   их   химических модификаций в связи с их биологической функцией). Биохимия животных Биохимия растений Биохимия микроорганизмов Медицинская биохимия  – изучает состав и превращения веществ и энергии в организме человека в норме и паталогии. Существуют более узкие области  биохимии: Биохимия крови, биохимия нервной ткани, биохимия молока и т.д. Техническая   биохимия   –   изучает   превращения   при   производстве   и   хранении   пищевых продуктов. Радиационная   биохимия   –   изучает   изменения   состава   и   обмена   веществ   и   энергии   в организме при воздействии радиации. Космическая биохимия Квантовая биохимия – изучает электронные характеристика и веществ и их изменение.  Методы биохимических исследований Биохимия располагает специфическими методами  исследований  Общей чертой исследований является то, что химическое соединение или набор химических соединений   вводят   в   обьект,   обладающий   свойствами   живого   и   изучают   их   превращения   т.е. изучают механизм обмена веществ. В качестве обьектов или систем  исследования используются  целые  организмы, тканевые срезы, выделенные субклеточные структуры. Судьба   химических   веществ     прослеживается   различными   химическими   и   физико­ химическими методами : Рентгеноструктурный анализ Электронная микроскопия,  Газовая, жидкостная, гелевая, капилярная хроматография,  Афинная хроматогграфия Спектрофотометрия Электрофорез Метод молекулярных сит ЯМР Метод дисперсии магнитооптического вращения и т. д. Для изучения структур и функций полимеров широко используются иммуннохимические и радиоиммуннологические методы, метод адресованных реагентов, методы гибридизации и т д. В настоящее время биохимики уделяют большое внимание изучению функций субклеточных структур: ядру, митохондриям, рибосомам, пластидам, лизосомам и т .д. Разработаны препаративные методы разделения этих структур ультрацентрифугированием. Органический   и   неорганический   мир   по   набору   химических   элементов   отличаются незначительно,   т.к.   неживая   природа   поставляет   исходный   материал   для   построения   молекул живого организма. В   организме   человека   и   животных   обнаружено   около   70   элементов   таблицы   Д.И. Менделеева.    Количественное   содержание   химических   элементов   в   организме   неодинаково   но   по количеству можно разделить на группы  макроэлементы О2 , С, N, Н  более 1% олигоэлементы­ Са, Nа, Р, Cl, S, Fe.­ от 0,1 до 1 %. Микроэлементы Zn, Mn, Co, Cu,  Br,  I – до 0,01% ультрамикроэлементы  Li, Ti, Sn, Se и т.д. – 10 –7 % Содержание сухого вещества в клетке колеблется от 10 до 90%. Содержание веществ в эукариотической клетке:   Белки до 75%  (для человека 45%) Липиды до 10% Клетчатка до 10 % Нукл. кислоты до 9% Зола  до10 % (для человека 3 кг). В   составе   пищи   в   организм   должны   поступать   белки,   углеводы,   липиды,   минеральные вещества и витамины. Недостаток   в   том   или   ином   минеральном   веществе   встречается   редко,   поскольку минеральные  вещества в достаточном количестве  содержатся в пище и питьевой воде. Но для некоторых   минеральных   веществ   имеются   эндемические   зоны,   которые   характеризуются недостатком какого­либо минерального элемента (например, иода или фтора). Питательные  вещества,  поступающие в клетку, используются в различных направлениях: получение энергии, синтез новых «строительных блоков». Из простых элементов в организме как кирпичики образуются сложные соединения : белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды, ферменты, гормоны, биологически активные вещества. Белки  ­   это   высокомолекулярные   азотсодержащие   вещества,   линейные   гетерополимеры, состоящие   из   остатков   аминокислот,   связанных   между   собой   пептидной   связью. Последовательность аминокислот в молекуле белка детерминирована генетчески Для построения белков используется 20 из них, хотя в метаболизме организма человека участвует большее количество аминокислот.  Эти   аминокислоты   имеют   несколько   общих   признаков   строения   (общие   свойства аминокислот):        1.   Все   они   являются   альфа­аминокислотами.   Аминогруппа   общей   части   всех аминокислот присоединена к альфа­углеродному атому. Между аминокислотами образуется пептидная связь, формируется полипептидная цепочка ­ биополимер.  Пептидная связь Углеводы.  Термин   «Углеводы»,   предложенный   в   Х1Х   столетии,   был   основан   на предположении, что все углеводы содержат 2 компонента – углерод и воду, и их элементарный состав можно выразить общей формулой Сm(H2O)n.  Сейчас   известны   углеводы   несколько   другого   состава,   но   такое     определение   позволяет наиболее просто охарактеризовать класс углеводов в целом.  Углеводы ­ это органические соединения, содержащие альдегидную или кетонную группу и   гидроксилов.     несколько Углеводы подразделяются на альдозы и кетозы. спиртовых Альдозы содержат функциональную альдегидную группу –НС=О,  кетозы содержат кетонную группу >С=О.  Название   моносахарида   зависит   от   числа   составляющих   его   углеводных   атомов,   например альдотриозы, кетотриозы, альдогексозы, кетогексозы и т.д.  Моносахариды по строению относятся к простым углеводам, т.к. они не гидролизуются при переваривании. Сложные углеводы  при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов. Простейшие представители моносахаридов – триозы: глицеральдегид и диоксиацетонфосфат: H C CHOH O                  CH2OH                                              глицеральдегид                       диоксиацетон CH2OH C O CH2OH Большинство молекул углеводов находится в виде циклических структур:   Пятичленные  циклы  (из  четырех   атомов  С  и  одного  атома  О)  называются  фуранозными циклами, характерен для ряда пентоз. Шестичленные (из пяти атомов С и одного атома О) называются пиранозными , характерен для ряда гексоз.    Олигосахариды – углеводы, молекулы которых содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных   гликозидными   связями.   В   соответствии   с   этим   различают   дисахариды, трисахариды и т.д. Дисахариды – наиболее широко известна мальтоза, лактоза и сахароза. Мальтоза  образуется как промежуточный продукт при действии амилаз на крахмал   или гликоген, содержит 2 остатка α­D­глюкозы. Сахароза.  Одним   из   наиболее   распространенных   дисахаридов   является   обычный   пищевой сахар. Молекула сахарозы состоит из одного остатка D­глюкозы и одного остатка D­фруктозы. В отличие от большинства дисахаридов сахароза не имеет свободного полуацетального гидроксила и не обладает восстанавливающими свойствами. Гидролиз сахарозы приводит к образованию смеси, которую  называют инвертным сахаром.  Лактоза.  Дисахарид лактоза содержится только в молоке и состоит из  D­галактозы и  D­ глюкоза. Полисахариды – высокомолекулярные продукты поликонденсации моносахаридов, связанных друг   с   другом   гликозидными   связями   и   образующие   линейные   или   разветвленные   цепи. Гомополисахариды состоят из моносахаридных единиц только одного типа. Гетерополисахариды содержат два и более типов мономерных звеньев. Крахмал. Это высокомолекулярное соединение, включающее сотни тысяч остатков глюкозы, ­1 6­связями Он является главным резервным полисахаридом α → α → ­1 4­,  связанных между собой  растений.  Гликоген. При гидролизе гликоген расщепляется с образованием сначала декстринов, затем Гликоген  мальтозы и глюкозы. Нуклеиновые   кислоты  –   биосополимеры,   состоящие   из   пуринового   или   пиримидинового основания,   углеводов   (рибозы   и   дезоксирибозы)   и   фосфатных   групп;   они   входят   в   состав клеточного ядра (nucleus),­  нуклеотиды. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, состоящие из трех компонентов: сахара (пентоза), фосфата и азотистого основания (производное пурина или пиримидина).   Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого, так что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь.  Различают   два   вида:   ДНК   и   РНК.   Носителем   генетической   информации   является   ДНК,   В хромосомах ДНК упакована специальными  белками  ­ гистонами,  которые не мешают процессу считывания Пуриновые основания: аденин и гуанин: аденин (А)         гуанин (Г) Пиримидиновые основания: цитозин, урацил, тимин:                 цитозин (Ц)         урацил (У)         тимин (Т) В состав мононуклеотидов обычно входят D­рибоза (в форме  ­D­рибофуранозы), глюкоза (редко) и  ­D­2­дезоксирибоза: β β         β ­D­рибоза         β ­D­дезоксирибоза Пентозы первым углеродным атомом соединяются с соответствующим основанием: с пуриновым по его 9­му атому азота, с пиримидиновым – по 3­му атому азота, пятым углеродным атомом эфирной связью соединяются с монофосфорной, дифосфорной или трифосфорной кислотами. При этом образуются АМФ,АДФ, АТФ. Монофосфатнуклеозиды за счет конденсации ОН­групп фосфорных кислот   одного   нуклеотида   и     ОН­групп   пентоз   другого     нуклеотида   образуется     нуклеиновая кислота. аденозин­1­рибо­3­монофосфат (АМФ)         гуанозин­1­рибо­2­дифосфат (ГДФ)                 аденозин­1­дезокси­3­монофосфат (АДФ)         β ­D­гуанозин­1­дизокси­3­трифосфат (ГДФ) Липиды — большая группа природных органических соединений, широко распространенных среди живых  организмов, нерастворимы в воде, растворимы в неполярных растворителях (эфире, хлороформе и бензоле).  Липиды играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Они входят в состав клеточных  мембран, влияют на их проницаемость, участвуют в образовании межклеточных контактов и  передаче нервного им пульса. Жиры являются источниками энергии. Липиды классифицируются  Простые липиды — сложные эфиры жирных кислот и глицерина. воски — сложные эфиры высших  жирных кислот и одно или двухатомных спиртов. стериды – сложные эфиры  вжк и спирта стерола. Сложные липиды — сложные эфиры жирных кислот и спиртов, содержащие дополнительные  группы. фосфолипиды — липиды, содержащие остаток фосфорной кислоты. Часто они содержат азотистые  основания. сфинголипиды спирт  ­ сфингозин Жирные кислоты — алифатические карбоновые кислоты. Жирные кислоты с числом углеродных атомов больше 12 называют высшими жирными кислотами. В тканях человека и животных присутствует около 70 разных жирных кислот. Наиболее   важные   жирные   кислоты   предельные   пальмитиновая  (С16),    стеариновая  (С18).  (С18). Непредельные:  капроновая (С6), каприловая (С8), каприновая (l' 10), лауриновая (С12), миристиновая (С14), арахиновая (С20), бегеновая (С22)