Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекция-Предмет и задачи биохимии - файл Лекции биохимия.doc


Лекция-Предмет и задачи биохимии
скачать (82.3 kb.)

Доступные файлы (1):

Лекции биохимия.doc155kb.17.10.2010 20:01скачать

содержание
Загрузка...

Лекции биохимия.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...

1. Предмет и задачи биохимии

КУРС

1. Предмет и задачи биохимии



Биологическая химия – это наука, изучающая химический состав живых организмов, превращения веществ и энергии, лежащей в основе их жизнедеятельности. Совокупность этих превращений составляет биологический обмен веществ, который является основой той формы движения материи, которую мы называем жизнью.

Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул, большинство из которых представляют собой органические соединения. Тем не менее, живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплении неживых молекул. К ним относятся следующие свойства:

1.1 Сложность и высокая степень организованности. Живые организмы представлены миллионами разных видов.

1.2 Любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняется строго определенную функцию. Это относится даже к индивидуальным химическим соединениям (липиды, белки и т.п.).

1.3Способность извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды – либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения

Обмен веществ слагается из множества отдельных химических реакций, протекающих в живом организме и теснейшим образом связанных друг с другом. Данные экспериментальной биохимии свидетельствуют о взаимосвязи и неразрывности процесса поглощения и усвоения питательных веществ – ассимиляции и процесса их разложения и выделения – диссимиляции.

Сопряженность и взаимосвязь отдельных реакций, происходящих при ассимиляции и диссимиляции питательных веществ в организме, проявляется также в сопряженности превращений энергии, происходящих в течение всей жизни организма.

1.4 Способность к точному самовоспроизведению.

Цель биохимии состоит в том, чтобы понять, каким образом взаимодействия биомолекул друг с другом порождают описанные выше особенности живого состояния.

Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, т.е. соединения углерода, в которых атомы углерода ковалентно связаны с другими атомами углерода, а также с атомами водорода, кислорода и азота. Однако все разнообразие органических молекул в живых организмах сводится к довольно простой картине. Все макромолекулы в клетке состоят из простых и небольших молекул нескольких типов, используемых в качестве строительных блоков, которые связываются в длинные цепи, содержащие от 50 до многих тысяч звеньев (ДНК построена из дезоксирибонуклеотидов, белки – из аминокислот).
^ 2. Макромолекулы в живых организмах
В живых организмах широко представлены четыре типа соединений – полимеров, образующих макромолекулы, состоящие из повторяющихся единиц – мономеров. Это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Макромолекулы составляют около 90% сухого вещества клеток живых организмов.

Некоторые характеристики макромолекул белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов представлены в таблице.
Характеристика биополимеров


Полимеры

Основные параметры

Мономеры

Средняя молекулярная масса, Да

Структура молекул

Тип связи

Белки


Аминокислоты


104…106


Неразветвленная цепь глобулярной или фибриллярной формы

Пептидная


Нуклеиновые кислоты

Нуклеотиды


104…1010

Неразветвленная цепь, имеющая форму спирали


Сложно-эфирная

Полисахариды

Моносахариды

104…106

Разветвленные или неразветвленные структуры нитевидной или шаровидной формы


Простая эфирная


Липиды не образуют полимеров, таких как полимеры белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. В природных условиях липиды способны образовывать крупные ассоциаты.

Исходя из этих рассуждений, мы можем теперь сформулировать ряд принципов молекулярной логики живого:

Структура биологических макромолекул проста в своей основе.

Все живые организмы состоят из одних и тех же молекул, используемых как строительные блоки.

Идентичность организмов каждого вида сохраняется благодаря наличию свойственного только ему набора нуклеиновых кислот и белков.

Все биомолекулы выполняют в клетках специфические функции.
^ 3. Разделы биохимии
Биохимию разделяют на:

3.1 Статическую, изучающую химический состав живой материи;

3.2 Динамическую, изучающую процессы обмена веществ в организме;

3.3 Функциональную, изучающую процессы, лежащие в основе определенных проявлений жизнедеятельности.

Первая часть обычно именуется органической химией и излагается в специальном курсе, вторая и третья части являются собственно биохимией.

Различают биохимию:

    • растений;

    • животных;

    • биохимию микроорганизмов;

    • биохимию человека (медицинская биохимия).

Выделением веществ в чистом виде и определением их строения занимается химия природных соединений.

^ Биохимия растений изучает состав и превращение веществ в растениях и растительном сырье. Существуют также отраслевые биохимии: биохимия масличных растений и масличного сырья, биохимия молока, зерна, мяса, хлебных продуктов и т.д.

В отдельную отрасль вылилась ферментология – крупный раздел, изучающий свойства биологически активных веществ – ферментов.
^ 4. История развития биохимии
Биохимия растений в России зародилась в 1814 году, когда академик К. С. Кирхгоф в Петербурге описал гидролиз крахмала под действием солодового экстракта, полученного из ячменя.

. ^ Андрей Сергеевич Фаминцын (1838-1918) создал крупный труд «Обмен веществ и превращение энергии в растениях». А.М. Бутлеров способствовал его опубликованию. Выдающимися учениками Фамицына А.С. была профессор Дмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920) и Иван Парфеньевич Бородин (1847-1930). Ивановский Д.И. открыл фильтрующиеся вирусы. И.П. Бородин работал в области дыхания растений и участия белков в этом процессе.

Академик ^ Алексей Николаевич Бах в 1921 году организует в Москве исследовательский институт здравоохранения (впоследствии НИИбиохимии) и очень много работал в области ферментологии. Он создал отрасль технической биохимии. Академики Владимир Иванович Палладин и Сергей Павлович Костычев исследовали дыхание и брожение.

^ Климент Аркадьевич Тимирязев прославился классическими исследованиями в области изучения процесса усвоения углекислого газа зелеными растениями на свету (фотосинтез) и работами в области физики и химии хлорофилла. Академик Дмитрий Николаевич Прянишников изучал превращения азота в почве и в растениях. Сергей Павлович Костычев и Владимир Степанович Буткевич организовали микробиологическое получение лимонной кислоты. А.Л. Курсанов создал в России производство чая, основанное на знании биохимических превращений, происходящих в чайном листе. Академик Александр Иванович Опарин организовал школу биохимиков в области превращения растительного сырья. Он первый создал рационально обоснованное виноделие. Научное обоснование хлебопечению дал Вацлав Леонович Кретович, ферментации табака – Александр Иванович Смирнов. Витамины были открыты Николаем Ивановичем Луниным в 1881 году. В Ленинграде Н.Н. Иванов изучал биохимию культурных растений, там же в области биохимии растительного сырья работал М.И. Княгиничев. В.В. Виноградский изучал обмен веществ у микроорганизмов. М.В. Ненцкий – один из основоположников отечественной биохимии, занимался превращением веществ в зеленых растениях. Михаил Семенович Цвет (1872-1919) разделил пигмент хлорофилл на отдельные компоненты.

Значительный вклад в развитие биохимии внесли и зарубежные ученые.

В 1828 году Ф. Велер впервые синтезировал органическое вещество – мочевину из неорганических соединений. Во второй половине XIX века была определена структура аминокислот, углеводов и жиров и установлена природа пептидной связи в белках. Исследованиями Ю. Либиха, Л. Пастера, Э. Бухнера были получены первые сведения о химических превращениях белков, жиров и углеводов в живых организмах, также было положено начало изучению химизма брожения.

В результате работ ^ О. Варбурга, Г. Эмдена, О. Мейергофа и Х. Кребса были установлены механизмы основных этапов процессов брожения и биологического окисления – был описан цикл Кребса. Д. Самнер в 1926 году экспериментально доказал белковую природу ферментов.

В 1943 году ^ Ф. Липман открыл кофермент А и выявил его важную роль в синтезе жиров. А. Ленинджер в 1949 году показал, что окислительное фосфорилирование, обеспечивающее живые организмы энергией, идет в митохондриях. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик доказали, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) состоит из двух нитей, а К. Ниренберг в 1963 году расшифровал первый генетический код ДНК и показал взаимосвязь между структурой ДНК организма и составом слагающих этот организм белков.
^ 5. Общая характеристика веществ, входящих в состав организмов
Все организмы состоят из органов (у растений – листья, корни, стебли). Все органы в свою очередь состоят из тканей (покровные, мышечные и т.п.). Все ткани состоят из клеток. В клетках различают:

1. Оболочку – состоит из:

    1. Целлюлозы – до 50-99%.

    2. Пектиновых веществ (протопектин, пектин, пектовые кислоты и др.).

2. Протопласт – живое содержимое клетки. В его состав входят:

2.1. Углеводы.

2.2. Белки.

2.3. Липиды.

2.4. Вещества вторичного происхождения.

2.5. Витамины, антивитамины, антибиотики.

2.6. Нуклеиновые кислоты.

2.7. Минеральные вещества.

Вакуоли заполнены клеточным соком. В его состав входит до 98% воды и до 2% сухого вещества. В основном это аминокислоты, сахара, органические кислоты, минеральные элементы, алкалоиды и др.
^ Краткая характеристика основных компонентов живой материи
2.1. Углеводы – это соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода.

Суточная потребность человека в углеводах ≈ 500 г. Свойства их оказывают влияние как на выбор технологических режимов, так и на качество готовой продукции.

2.2. Белки. Суточная потребность в белке – около 100 граммов. Они являются сырьем для мясной, витаминной, фармацевтической, консервной и других видов пищевой промышленности.

Кроме питательной ценности (число калорий, которые получает организм при гидролизе питательных веществ), они обладают биологической ценностью (содержание в них незаменимых аминокислот и их усвояемость).

2.3. Липиды. В класс этих соединений входят жиры (триглицериды) и жироподобные вещества (воски, фосфатиды, жирорастворимые пигменты, стероиды). Суточная потребность в жирах – 50-75 г. Они являются сырьем для жироперерабатывающей, парфюмерной, витаминной, консервной и других видов промышленности. В организме жиры являются энергетическим запасом (т.к. мало окислены), структурными компонентами (белково-липидные комплексы – это структурные единицы клетки), биологически активными веществами (витамины группы F – это непредельные жирные кислоты).

2.4. Вещества вторичного происхождения. К ним относятся:

2.4.1 Органические кислоты.

2.4.2 Дубильные вещества.

2.4.3 Глюкозиды.

2.4.4 Красящие вещества.

2.4.5 Фенольные соединения.

2.4.6 Эфирные масла.

2.4.7 Алкалоиды.

2.5 Витамины.

2.6 Нуклеиновые кислоты.

2.7 Минеральные вещества. Их подразделяют на:

2.7.1 Макроэлементы.

2.7.2 Микроэлементы.

2.7.3 Ультромикроэлементы
^ 6. Роль биохимии в пищевой технологии
Организация объединенных наций (ООН) предложила ряд международных программ. Первая из них – программа снабжения человечества пищей. Это может быть достигнуто прежде всего интенсивным путем. Поэтому основными задачами биохимии являются:

  1. Повышение качества исходного сырья, изучение его химического состава и влияние его на технологию хранения и переработки.

  2. Снижение потерь сырья в процессе хранения и технологической переработки.

  3. Создание новых высокоэффективных технологий с целью повышения качества готовой продукции.

  4. Комплексная безотходная технология переработки сырья и утилизация отходов.


^ 7. Химический состав растительного сырья
7.1 Элементарный состав

Химический состав организмов существенно отличается от химического состава неживой природы. В состав живых организмов входят 4-е основных элемента: углерод – 50-60%; водород – 3-4%; кислород – 25-30%; азот – 8-10%.

На долю этих 4 элементов приходится 99% химического состава органических веществ, а 1% - на другие элементы. Распределение химических элементов в неживой природе (земной коре) – другое: на долю трех элементов (С, Н, N) приходится около 1%.

Все органические вещества, входящие в состав живых организмов, т.е. белки, жиры, углеводы и др., содержат атом углерода. Атом углерода четырехвалентен и способен соединяться с другими элементами ковалентной связью с образованием различных органических веществ.

│ • • │

— С— • С • + • Н • С : Н — С — Н

│ • • │
• • │

С : + : О С : : О С = О

• • │

• • • • │ │

• С • + • С • • С : С • — С — С —

• • • • │ │
• • • • │

С : + : С С : : С — С = С —

• • • • │
В составе живых организмов органические соединения с тройной связью практически отсутствуют. Ковалентно связанные атомы углерода способны образовывать множество разнообразных структур, которые лежат в основе скелетов многочисленных органических биомолекул. К таким углеродным скелетам могут присоединяться другие атомные группы.


^ 7.2 Функциональные группы

Производные органических веществ в своем составе могут иметь различные функциональные группы, которые образуются за счет замены атомов водорода (см. табл.).

Таблица

Функциональные группы, характеризующие семейства органических соединений


^ Функциональная группа

Строение

Семейство

Гидроксильная

R — О — Н

Спирты

Карбонильные



Альдегидная

Кетонная

О

R — С

Н

R1

С = О

R2


Альдегиды

Кетоны

Карбоксильная

О

R — С

ОН

Органические кислоты

Аминогруппа

Н

R — N

Н

Амины, аминокислоты

Амидогруппа

Н

R — С — N

║ Н

О

Амиды

Сульфгидрильная

R — S — Н

Тиолы

Сложно-эфирная

R1— С — О — R2



О

Сложные эфиры

Эфирная

R1 — О — R2

Простые эфиры


В состав биомолекул могут также входить некоторые функциональные группы, которые являются весьма реакционно-способными. К ним относятся:

Метильная – R — СН3

Этильная – R — С2Н5

Дисульфидная – R1 — S — S —R2

ОН



Фосфатная – R — О— Р — ОН и некоторые другие



О
Большинство биомолекул содержит несколько функциональных групп, поэтому являются полифункциональными:

^
СООН
СООН


ОН
│ │


Н2N
— С — Н Н — С —

│ │

СН3 СН3

Аланин Молочная кислота
Макромолекулы построены из небольших биомолекул, которые включаются в большом количестве.
^ 7.3 Классификация живых организмов

7.3.1 По способу синтеза органических веществ и по виду используемой материи все живые организмы делятся на две основные группы:

- автотрофные – способные синтезировать органические соединения из СО2, Н2О, N2, NН3, Н2S, Н3РО4 и др.;

- гетеротрофные – не могут синтезировать органические вещества, а потребляют их в готовом виде. К ним относятся животные организмы.

7.3.2 По виду используемой энергии:

- фототрофы – используют энергию света (солнечный свет);

- хемотрофы – используют энергию химических связей материи из окружающей среды.

7.3.3 По отношению к атмосферному кислороду:

- аэробы – используют кислород атмосферы и гибнут при его отсутствии;

- анаэробы факультативные – используют кислород, но не гибнут при его отсутствии;

- анаэробы облигатные – для которых кислород является ядом.

Растительные и животные организмы значительно отличаются по химическому составу и, прежде всего, по содержанию белков и углеводов. Растения содержат до 1/3 белков и 2/3 углеводов, животные организмы на 2/3 состоят из белков.
^ 7.4 Вода в живых организмах

Является наиболее широко распространенным веществом в живой природе.

В большинстве организмов ее весовое содержание составляет 70% и более, причем в растительных организмах воды больше, чем в животных. Кроме этого, вода была средой, в которой зародилась жизнь. Вода заполняет составные части живой клетки и представляет собой среду, в которой осуществляется транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живых клеток и их функции должны быть приспособлены в отношении физических и химических свойств воды. С содержанием воды связан процесс старения: при старении уменьшается способность удерживать влагу.

По сравнению с большинством других жидкостей вода имеет высокую температуру плавления, кипения и теплоту испарения, что свидетельствует о сильном притяжении между соседними молекулами. Это объясняется тем, что каждый из двух атомов водорода объединяет свой электрон с одним из электронов атома кислорода. Две образующиеся электронные пары обусловливают V-образную форму молекул воды. Так как у кислорода есть еще две неподеленные электронные пары, он несет частичный отрицательный заряд. Более электроотрицательный атом кислорода стремится притянуть электроны атомов водорода. Поэтому на них локализуются частичные положительные заряды:

• • • • • + - +

2Н + • О : Н : О : Н — О — Н

• • •

Н

Хотя молекула воды в целом электронейтральна, ее частичные отрицательный и положительный заряды пространственно разделены, что приводит к возникновению у нее электрического дипольного момента, т.е. две соединенные молекулы воды могут притягиваться друг к другу за счет сил электростатического взаимодействия между частичными положительными и отрицательными зарядами. Такой тип электростатического притяжения называется водородной связью.

Водородные связи слабее ковалентных, но благодаря своей многочисленности они обеспечивают высокую устойчивость жидкой воды.

Водородные связи характерны не только для воды. Они легко образуются между любым электроотрицательным атомом (обычно кислород или азот) и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом в той же или другой молекуле. Например:

Водород

Донор Акцептор водорода

— О — Н ••• О = С

— О — Н ••• N

— О — Н ••• О

N — Н ••• О = С

N — Н ••• О

N — Н ••• N

За счет свойств, описанных выше, вода является значительно лучшим растворителем, чем большинство других жидкостей.

Кристаллические соли (NaCl) хорошо растворимы в воде, но почти не растворимы в неполярных жидкостях. Это обусловлено биполярным характером молекулы воды.


Второй класс веществ, растворимый в воде – это нейтральные органические соединения, содержащие полярные функциональные группы: спирты, альдегиды, кетоны. Растворение происходит за счет образования водородных связей между молекулами воды и полярными функциональными группами.

Существуют также вещества, диспергируемые водой. К ним относятся полярные соединения (например, мыла). Это происходит за счет образования агрегатов – мицелл, в которых гидрофильные отрицательно заряженные карбоксильные группы обращены к водной фазе и взаимодействуют с молекулами воды, а гидрофобные неполярные углеводородные цепи спрятаны внутри структуры.
^ 7.5 Водная фаза

Живые организмы успешно приспособились к водной среде и приобрели способность использовать необычные свойства воды. За счет высокой теплоемкости она действует в клетках как «тепловой буфер», поддерживающий в организме относительно постоянную температуру. Высокая теплота испарения воды используется для защиты организма от перегревания (путем испарения пота у некоторых позвоночных). Сильное сцепление молекул в жидкой воде обеспечивает эффективный перенос в растениях растворенных питательных веществ от корней к листьям. Кроме этого, важные биологические свойства макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты) обусловлены их взаимодействием с молекулами воды в окружающей среде.

Чистая вода, контактирующая с чистым воздухом, имеет рН около 5,6 (Н+ и НСО-3 при взаимодействии СО2 с Н2О), Суточная потребность воды составляет 2-2,6 л (в том числе: вода пищи – около 1 л). Вода в живых организмах представлена в нескольких видах:

- свободная влага – имеет механическую форму связи (удаляется при высушивании);

- связанная влага – химическим путем связана с органическими соединениями (механическим путем не отделяется).

Определение общего содержания воды называется определением влажности.






Скачать файл (82.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru