ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ ПО БИОХИМИИ

Тема №1: «ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ПО ФИЗИЧЕСКОМУ ВОСПИТАНИЮ И СПОРТУ.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ»

ПЛАН:

1.     Предмет биохимии и его значение для специалистов по физическому воспитанию и спорту.

2.     Элементарный состав живых организмов и свойства атомов участвующих в построении биомолекул.

3.     Образование молекул биоорганических соединений. Типы связей в молекулах.

4.     Строение и свойства биомолекул.

5.     Соответствие свойств биомолекул их функциям.

Биохимия – одна из наиболее бурно развивающихся областей  современной биологической науки, которая изучает строение и функции веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, а также связь этих превращений с функцией органов и тканей.

Биохимия – изучает не только строение, свойства этих веществ и их процессов синтеза и распада в организме, но и то, как эти превращения сопряжены с поглощением и выделением энергии, каковы механизмы энергетического обмена, на которых основывается осуществление разнообразных физиологических функций. Из этих определений вытекает, что биохимия слагается как бы из 3-х частей:

• Статической биохимии – занимающейся преимущественно анализом химического состава организмов;

• Динамической биохимии – изучающей всю совокупность превращений веществ в организме;

• Функциональной биохимии – исследующей химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности отдельных тканей и органов и проявления их специфической функции. При этом все эти три части биохимии неразрывно взаимосвязаны между собой и дополняют друг друга.

Биохимия физических упражнений и спорта является частью функциональной биохимии и изучает основные закономерности биохимических превращений в организме человека в процессе занятий физическими упражнениями, а также ряд специальных вопросов:  

  а) биохимические основы построения спортивной тренировки; 

               б) обеспечение энергией мышечной           работы различной мощности

и продолжительности;

  в) особенности протекания биохимических процессов при занятиях

физическими упражнениями у людей разного возраста и т.п. 

  Биохимический контроль в спорте позволяет выявить влияние на организм человека и отдельных тренировочных упражнений и всей системы тренировки в целом. Он дает возможность оценить по объективным показателям уровень тренированности спортсменов, скорость восстановительных процессов после работы, выбрать в соответствии с решаемой спортивно-педагогической задачей наилучшую продолжительность тренировочной работы и отдыха. Зная закономерности протекания биохимических процессов в организме, можно регулировать его функциональное состояние с помощью специально подобранной диеты и фармакологических средств, ускорять процессы восстановления после выполнения напряженной работы, подбирать в ходе тренировки такие упражнения, которые приводят к усилению конкретных биохимических процессов, лежащих в основе проявления различных двигательных качеств спортсменов: силы, быстроты, выносливости и т.п.. Химический состав живых организмов.

Элементарный состав живых организмов существенно различается от состава неживой природы. Например, в составе различных живых организмов к настоящему времени обнаружено всего лишь около 40 из более 100 природных химических элементов, присутствующих в земной коре. Кроме того, соотношение этих элементов в живом организме совсем иное, чем в земной коре. Так, в живых клетках углерод составляет 50-60% сухого вещества,  азот – 8-10%, кислород – 25-30% и водород – 3-4%. В то же время в земной коре на долю углерода, водорода и азота, вместе взятых, приходится  менее 1% ее от общей массы.

По количественному содержанию этих элементов в живых организмах можно разделить на 3 группы:

•    Основные элементы (макроэлементы) – С, О, Н и N. Эти элементы имеют универсальное значение: они используются для построения практически всех биомолекул, входящих в состав живого организма;

•    Микроэлементы (Na, Mg, P, CI, K, Ca), которые присутствуют в организмах в пределах 0,1-0,002 атом.%. Многие из них находятся в виде ионов. Ионный состав организма во многом сходен с ионным составом морской воды. Это, по всей вероятности, обусловлено тем, что первичные живые организмы возникли и развились в первобытном океане (по теории авозникновения жизни на земле акад. Опарина);

•    Ультрамикроэлементы (В, Si, W, Fe, Mn, Ti, Co, Cu, Zn, Mo) – присутствуют в живых организмах в следовых количествах, т.е. меньше 0,001 атом.%. Они играют определенную регуляторную роль в работе различных ферментов и биологически активных веществ (хлорофилл, гемоглобин, цитохромы).

Химические свойства живых организмов в значительной степени зависят от атома углерода, на долю которого приходится, как уже указали выше, более половины (50-60%) их сухого веса. Атомы углерода так же, как и атомы водорода, кислорода, азота и др. могут образовывать химические (ковалентные) связи, т.е. связи, осуществляемые парами электронов, принадлежащих обоим соединяющимся атомам.

Однако наиболее важное значение в биологии имеет способность атомов углерода взаимодействовать между собой, т.е. «делиться» электронными парами друг с другом, что приводит к формированию очень устойчивых одинарных углерод - углеродных связей (- С - С-;  - С = С -; - С = С -). Каждый атом углерода может образовывать связь с одним, двумя, тремя или четырьмя атомами углерода.

Благодаря этим свойствам ковалентно связанные атомы углерода способны образовывать множество разнообразных структур:

•    Линейные :  – С – C – C – C – С – С – 

•    разветвленные  :     - С – С –

-     С – С – С – С – С – С – С – 

-     С – С -             - С – С – С

-     С -                           - C -

•    циклические:             - С – С -                     - С -                    - С –

-   С – С -                 -  С  –  С -          - С  –  С –

-   С  -   С –

•    ароматические:           С                             С         С

                                              С       С                    С       С         С

                                              С        С                    С       С         С

                                                   С                               С         С

•    гетероциклические: 

-   С  -   С -              - С  –  С -           - С – С –

-   С        С -             - С       С -          - С     С - 

                                             О                            N                        S

Все эти структуры лежат в основе скелетов многочисленных органических молекул самых разнообразных типов. К таким углеродным склетам могут присоединяться и другие атомные группы, в частности Н, О,   N, S и т.п.

Вещества, имеющие  скелеты из ковалентно связанных атомов углерода, называются  органическими соединениями, причем их разнообразие практически безгранично. Каждая органическая молекула (биомолекула) имеет специфическую форму и определенные размеры.

Почти все органические биомолекулы являются производными углеводородов – соединений, состоящих из атомов углерода и водорода. Скелет углеводородов построен из атомов углерода соединенных ковалентными связями. Остальные связи атомов углерода, используются для  связывания их с атомами водорода.

Один или более атомов водорода в углеводородах могут быть замещены  различными функциональными группами (эта активная группа атомов, обладающая специфическими химическими свойствами). При этом образуются различные семейства органических соединений. К типичным семействам органических соединений с характерными функциональными группами относятся:

1.       Спирты, в молекулах которых имеются одна или несколько  гидроксильных групп – ОН.

                    СН₃СН₂ОН              СН₂ОН

                     этанол                                             

                                                     СНОН

                                                     СН₂ОН                                                     глицерин

2.       Альдегиды, содержащие карбонильную группу – СНО.

                                  НСНО                      СН₃СНО                        Формальдегид                   Ацетальдегид

3.       Кетоны, содержащие кето группы – СО-

                                            СН₃СОСН₃  

4.       Карбоновые кислоты, содержащие карбоксильную группу- СООН.

                                  НСООН                              СН₃СООН

                  Муравьиная кислота                       Уксусная  кислота

5.       Простые эфиры – эфирная связь – СН₂ОСН₂ С₂Н₅ОС₂Н₅ – диэтиловый эфир

6.       Сложные эфиры – Сложноэфирная связь – СОО-.

                            СН₃СООС₂Н₅ – этилацетат

7.       Амины, содержащие амино группу – NН₂

                             С₂Н₅NН₂ – этиламин

8.       Тиолы, содержащие сульфгидрильную группу – SН.

                                С₂Н₅SН – этантиол

и ряд других функциональных групп (амидная, метильная, этильная,  фосфатная, дисульфидная, фенильная и т.д.).

Эти функциональные группы органических биомолекул определяют их химические свойства. Большинство биомолекул содержит функциональные группы двух или нескольких типов и потому обладает полифункциональными свойствами. Например, аминокислоты

СН₃ – СН - СООН           – Аланин

           NН

Еще одним замечательным свойством органических биомолекул является то, что тетраэдрическая структура атома углерода обусловливает явление ассиметрии многих биомолекул. Молекулы, в которых один из атомов углерода связан с четырмя разными атомами или функциональными группами, могут приобретать две различные пространственные конфигурации, являющиеся зеркальными отражениям друг друга. Такие соединения называются ассиметричными или оптическими изомерами. Одно из них вращает плоскость поляризации в одном направлении, а другое – в противоположном. Примером служат молекулы аланина:

                  СООН                                          СООН

        Н                  СН₃                        Н₃С                Н

                 NН₂                                                 NН₂

Основные классы биомолекул (макромолекул) в живом организме представлены четырьмя типами соединений – это белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы (полисахариды). Все эти соединения в клетках представлены очень крупными молекулами и на долю их приходится основная масса живых организмов.

Белки или протеины. Термин «протеин» (белок) происходит от греческого слова «proteos», означающего «первый» или  «главный». У всех организмов белки являются прямыми продуктами генов и эффекторами их действия. Многие белки обладают специфической каталитической активностью и функционируют как ферменты. Белки других типов играют роль структурных элементов в клетках и тканях. Ряд белков являются специфическими рецепторами на мембране различных гормонов и других веществ. В целом, по выполняемой функции белки являются наиболее универсальными биомолекулами.

Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК- во всех клетках выполняют одни и те же функции, обеспечивая хранение, передачу и реализацию генетической информации. ДНК служит хранилищем генетической информации, а различные типы РНК способствуют ее реализации в процессе синтеза белков.

Липиды –к которым относятся жиры и жироподобные вещества, вопервых, играют роль основных структурных компонентов биомембран и, во вторых, служат запасной формой богатого энергией «горючего».

Углеводы (полисахариды) – выполняют в основном две функции. Одна из них, например, крахмал, представляет собой различные формы запасного «горючего» (источник энергии), снабжающего клетку энергией, тогда как другие,  например, целлюлоза используется в качестве внеклеточных структурных компонентов в растительной клетке. У животных организмов основным источником энергии является – гликоген.

Эти четыре наиболее важных класса биомолекул имеют одно общее свойство: все они представляют собой относительно крупные структуры с высокими молекулярными массами и поэтому называют макромолекулами. Молекулярные массы различных белков лежат в пределах 5000-2000000 дальтон; у некоторых нуклеиновых кислот молекулярные массы достигают до миллиардов дальтон; полисахариды, например крахмал, также имеют высокие молекулярные массы порядка миллионов дальтон. Размеры отдельных липидных молекул  значительно меньше (50-1500). Однако обычно липидные молекулы объединяются дуг с другом и образуют очень крупные структуры, которые включают тысячи молекул и функционируют, по существу как макромолекулярные системы (биомембраны).

С другой стороны, построение этих сложных структур основано на весьма простых принципах. В качестве строительных блоков, из которых состоят эти структуры, используются простые молекулы: число этих молекул невелико и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Например, у белков строительными блоками являются аминокислоты. Их всего 20. Длинные полипептидные цепи белков построены из этих 20 аминокислот той или иной последовательности. А молекулы нуклеиновых кислот построены всего лишь из 4-х нуклеотидов. Правда, их всего 5, но в молекуле ДНК используется 4 – А, Г, Ц и Т и в РНК – А, Г, Ц, У.

Полисахариды также состоят из большого числа блоков. Крахмал и целлюлоза, например, представляют собой длинные цепи строительных блоков одного типа, а именно сахара – глюкозы (С₆Н₁₂О₆)_п или в других случаях из чередующихся двух типов – глюкоза-фруктоза; глюкоза-галактоза.

Таким образом, более 90% сухого органического вещества в живых организмах составляют тысячи разнообразных макромолекул, построенных всего лишь из трех-четырех десятков различных видов простых органических молекул.

Поэтому, чтобы понять структуру биологических макромолекул и некоторые организационные принципы биохимии, нам необходимо знать строение и свойства небольшого числа органических соединений.

В частности, в последующих занятиях мы с вами наиболее подробно ознакомимся со строениями, свойствами и биологическими функциями перечисленных выше основными классами макромолекул живых организмов.