Биологическая химия (биохимия)  это наука о природе и свойствах веществ, входящих в состав живых организмов, путях биосинтеза и использования этих веществ различными организмами в процессе жизнедеятельности



страница1/8
Дата22.07.2016
Размер1.02 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8


В В Е Д Е Н И Е


Биологическая химия (биохимия)  это наука о природе и свойствах веществ, входящих в состав живых организмов, путях биосинтеза и использования этих веществ различными организмами в процессе жизнедеятельности.

Как самостоятельная научная дисциплина и как отдельный предмет преподавания биохимия сложилась в середине ХIХ века на основе органической химии и физиологии, изучавшими с различных сторон вопросы химии жизни. Первый, опубликованный в России в 1847 г. учебник по биохимии, был написан профессором Харьковского университета А.И.Ходневым и носил название “Курс физиологической химии”. В течение длительного времени биохимия называлась физиологической химией. Термин биохимия был введен К.Нейбергом в 1903 г.

В учебных целях биохимию принято делить на с т а т и ч е с к у ю и д и н а м и ч е с к у ю. Статическая биохимия изучает количественные соотношения, природу и свойства веществ, образующих живой организм. Этот раздел биохимии в значительной мере базируется на материале органической химии. Динамическая биохимия изучает все химические превращения вещества, происходящие в процессе жизнедеятельности организмов, и сопровождающие эти превращения изменения энергии. Статическая и динамическая биохимии тесно связаны между собой  нельзя понять биохимические процессы, идущие в живом организме, не зная его состава и химической природы образующих его веществ.

В зависимости от объекта или направления его исследования различают биохимию человека, биохимию животных, биохимию растений, биохимию микроорганизмов, техническую биохимию, радиационную биохимию и т. п.

Приведенный далеко не полный перечень основных направлений биохимии указывает на ее огромное теоретическое и практическое значение.

Биохимия дает знания необходимые для решения многих задач в биологии, медицине, сельском хозяйстве, промышленности микробиологического синтеза, вопросах охраны окружающей среды, пищевой промышленности.

В результате совместной работы биохимиков, генетиков, селекционеров выведены новые, ценные для промышленности сорта растений, породы животных и птиц. Среди них высокомасличные сорта подсолнечника и кукурузы, высокосахаристые сорта сахарной свеклы, сорта ячменя со сбалансированным аминокислотным составом белков, порода голубых норок и др.

Исследования по биохимии микроорганизмов привели к созданию промышленности микробиологического синтеза. Продукцию этой промышленности составляют кормовой белок, аминокислоты, антибиотики, многие витамины, гормоны и ферменты.

На достижениях биохимии базируются создание и применение лекарственных веществ, выяснение причин болезней, передающихся по наследству, управление поведенческими реакциями животных и человека, применение химических препаратов для повышения продуктивности растениеводства и животноводства.

Существующая ныне теория “сбалансированного” пищевого рациона основана на исследованиях биохимии и физиологии роли белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ в обмене у здорового человека в различных условиях труда и быта.

Биохимия составляет научную основу пищевой технологии. Исключительная роль и широкий размах биохимических исследований переработки сельскохозяйственного сырья животного и растительного происхождения привели к формированию самостоятельной науки  технической биохимии (биохимия мяса; молока и молочных продуктов; зерна и продуктов его переработки; солода и пива; виноделия и др.). Эта биохимия изучает химический состав сырья для пищевой промышленности, происходящие в нем процессы при хранении и переработке, разрабатывает способы применения биологических препаратов в биотехнологии. Знания химических процессов (они обычно ферментативные), происходящих при хранении пищевого сырья, помогают технологу направить эти процессы в нужную сторону с тем, чтобы выбирать оптимальные условия для хранения сырья, вырабатывать из него готовые продукты, имеющие хороший внешний вид, вкус, аромат и высокую пищевую ценность.

СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ


Глава I. ОБЩИЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВЫХ

ОРГАНИЗМОВ. КЛЕТКА И ЕЕ СТРУКТУРЫ


Биомасса единовременно живущих на Земле организмов составляет в пересчете на сухое вещество 1,82,4·1012т. Эти организмы ежегодно продуцируют около 1011т сухого вещества.

Из общего числа известных химических элементов в организмах, составляющих биомассу Земли, обнаружено около 60; однако не все, входящие в это число химические элементы обязательно требуются каждому виду организмов.

По количественному содержанию все, встречающиеся в живом организме химические элементы делят на три группы: макроэлементы, массовая доля их в живом веществе превышает 103% (C, O, N,H, P, S, Ca,

Mg,K,Na,Cl,Fe), микроэлементы, массовая доля которых колеблется от 103 % до 106 % (Mn,Zn,Cu,B,Mo,Co и др.) и ультраэлементы, массовая доля которых не превышает 106 % (Hg,Au,U,Ra и др.) Из макроэлементов в живом веществе в наибольшем количестве содержатся C, O, N,H,P,S и Ca.

Многочисленные химические элементы, образующие живое вещество, присутствуют в нем в виде различных органических и неорганических соединений.

Органические соединения живого представлены молекулами белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, витаминов, гормонов, органических кислот и многими другими. Массовая доля органических соединений составляет: в животных организмах  25 30%, в семенах растений  80  90%, в стеблях, листьях, плодах, овощах, фруктах  5 25%.

Неорганические соединения живого представлены водой и минеральными веществами.

Вода  один из широко распространенных компонентов живого. На долю ее в организме теплокровных животных приходится 65  70%, в растениях (листья, стебли, плоды, овощи, клубни, корни)  75  95%, в покоящихся семенах растений  5  15%. Вода играет огромную роль в создании условий для жизнедеятельности. Она основной участник всех физикохимических процессов организма, обеспечивающих функцио-нирование и возобновление живого.

Минеральные вещества в животных и растительных организмах могут быть в свободном ( в виде ионов) и связанном состоянии. Массовая доля минеральных веществ составляет: в животном организме до 10%, в семенах растений  25%, в стеблях, плодах, овощах, фруктах  0,3  1%.

Наиболее разнообразными химическими компонентами живого являются различные по составу и сложности строения молекулы органических веществ, Причем более простые органические молекулы, называемые строителььными блоками (биомолекулами), связываясь ковалентно друг с другом, образуют более сложные органические соединения  макромолекулы. Каждый вид макромолекул имеет характерные для него строительные блоки. Макромолекулы с помощью относительно слабых межмолекулярных связей объединяются в надмолекулярные комплексы (ансамбли), которые объединяются в органеллы. В конечном итоге формируется главная единица живого  клетка. Таким образом в молекулярной организации клеток существует структурная иерархия (рис. 1.1). Переход от простых биомолекул к более сложным субклеточным структурам происходит скачкообразно.


СТРОИТЕЛЬНЫЕ БЛОКИ: аминокислоты, моносахара, аденин и

 др. основания, жирные кислоты, гли-

церин и т.п.

МАКРОМОЛЕКУЛЫ: белки, нуклеиновые кислоты, полиса-

 хариды

НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ (АНСАМБЛИ): мембра-

 ны, рибосомы, хроматин, микротру-

бочки


ОРГАНЕЛЛЫ: ядро, митохондрии,аппарат Гольджи,

 эндоплазматический ретикулум

КЛЕТКА.

Рис. 1.1. Структурная иерархия в молекулярной организации клеток (от простого к сложному)


Клетки  это структурные и функциональные единицы живых организмов. Диаметр клеток колеблется в пределах от 12 мкм у бактерий, до 20  30 мкм у животных. Такие размеры клеток определяются следующими условиями: минимальным числом необходимых для жизнедеятельности молекул; фиксированной величиной этих молекул, задаваемой размерами входящих в их состав атомов углерода, кислорода, водорода и азота; скоростью диффузии молекул, растворенных в водной среде клетки.

Клетка представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Стабильность этой системы обеспечена тем, что она физически отделена от своего окружения, обладает способностью поглощать из окружения требующиеся ей вещества и выводить наружу конечные продукты обмена. Роль барьера между данной химической системой и ее окружением выполняет плазматическая мембрана.

Отдельные биохимические реакции, протекающие в живых клетках локализованы в компартментах (“отсеках”). Например, синтез белка про-исходит в рибосомах, фотосинтез - в хлоропластах, получение энергии в легко используемой форме - в митохондриях. Вследствие компартментализации - пространственного разделения - биохимические реакции, зачастую противоположного характера, идут в клетке одновременно, не мешая друг другу.

Клетки живых организмов чрезвычайно разнообразны по структуре и химическим основам функционирования. Чтобы не рассматривать структуры и химическую основу всего многообразия клеток, ввели понятие “обобщенная клетка”, т.е. содержащая набор стуктур, обязательных для обмена веществ и энергии и самовоспроизводства. Идентифицировать одни клеточные структуры можно с помощью светового микроскопа при максимальном увеличении в 1500 раз, другие, более мелкие - при помощи электронного микроскопа.

Все клеточные структуры с позиции морфологии называют субклеточными, а с позиции химии - надмолекулярными. Четко очерченные структуры клеток называют органеллами (маленькими органами). Из известных клеточных структур одни имеются как в животных, так и в растительных клетках, другие - только в клетках растений.

На рис. 1.2 показаны схема и структуры, общие для животных и растительных клеток.




Рис.1. 2. Строение клетки


К л е т о ч н а я (п л а з м а т и ч е с к а я ) мембрана (1) состоит из двух слоев белка, между которыми расположены два слоя ориентированных амфипатических молекул липидов (бислой). Она отделяет клеточное содержимое от внешней среды, регулирует обмен между клеткой и средой, делит внутреннее пространство клетки на отсеки (компартменты), предназначенные для конкретных химических процессов. На мембране располагаются участки, улавливающие внешние стимулы (гормоны или другие химические вещества) и позволяющие клетке приспособиться к внешней среде, а также поддерживать связь с другими клетками.

Ц и т о п л а з м а (2) состоит из водянистого основного вещества и находящихся в нем разнообразных клеточных сруктур и различных включений (нерастворимые отходы обмена, запасные вещества). Жидкую часть цитоплазмы, заполняющую пространство между клеточными структурами, называют ц и т о з о л е м. Химическую основу цитозоля составляет вода с растворенными в ней солями, сахарами, аминокислотами, жирными кислотами, нуклеотидами, белками и рибонуклеиновыми кислотами (РНК). В цитозоле происходят некоторые химические процессы (гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеатидов и некоторых аминокислот).

Я д р о (3) - крупная органелла, заключенная в оболочку из двух мембран, пронизанную порами. Ядро содержит хроматин, ядрышко и нуклеоплазму. Нуклеоплазма (ядерный сок) - это гелеобразная структура, в которой располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек. Основу хроматина составляет комплекс дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) с белками. В ДНК хранится генетическая информация. В ядрышке происходит синтез рибосомной РНК и начинается сборка рибосом. Завершается эта сборка в цитоплазме. В ядрышке имеется хроматин.

Э н д о п л а з м а т и ч е с к и й р е т и к у л у м сокращенно ЭР (4), представляет обширную систему уплощенных мембранных мешочков - цистерн - в виде трубочек и пластинок. Образует единое целое с наружной мембраной ядерной оболочки (наружная мембрана ядерной оболочки непосредственно переходит в ЭР). Если цистерны ЭР покрыты рибосомами его называют ш е р о х о в а т ы м, если рибосомы отсутсвуют, то его называют г л а д к и м. По цистернам шероховатого ЭР транспортируются белки, синтезированные рибосомами на его поверхности. Гладкий ЭР служит местом синтеза липидов и стероидов.

А п п а р а т Г о л ь д ж и (5) представляет собой стопку уплощенных мембранных мешочков - цистерн - и связанную с ними систему пузырьков. На одном конце стопки мешочки непрерывно образуются - на другом отшнуровываются в виде пузырьков (пузырьки Гольджи). Многие клеточные продукты, например белки, поступают в аппарат Гольджи из эндоплазмического ретикулума, претерпевают в его цистернах модификацию (видоизменение) и в пузырьках транспортируются к нужному месту той же клетки, например в лизосомы или к плазматической мембране. Аппарат Гольджи участвует в выведении веществ из клетки наружу (секреции) и в образовании лизосом.

Л и з о с о м ы (6) - это простые сферической формы мембранные мешочки заполненные, в основном, гидролитическими ферментами. Содержимое лизосом имеет кислую реакцию. Стенка мешочка состоит из одинарной мембраны.

Лизосомы участвуют в переваривании поступившего в клетку извне материала и отслуживших свой срок клеточных сруктур, а также в саморазрушении клетки (автолизе), наступающем в результате высвобождения их содержимого.

Р и б о с о м ы (7) служат местом синтеза белка, представляют собой мелкие округлой формы органеллы, состоящие из двух субчастиц - большой и малой. Эти органеллы связаны с эндоплазматическим ретикулумом, а также свободно лежат в цитоплазме; обнаруживают их в митохондриях, ядре, хлоропластах (органеллы растений). Число рибосом в клетках бактерий достигает до 10 000; в клетках животных и растений - в несколько раз больше. Рибосомы состоят из примерно равных (по массе) количеств РНК и белка.

М и т о х о н д р и и (8) - это органеллы клеток, имеющие различную форму и размеры. Митохондрии могут быть спиральными, округлыми вытянутыми, чашевидными. Длина митохондрии колеблется в пределах 1,5 - 10 мкм, а ширина - в пределах 0,25 - 1 мкм. Число митохондрий в клетке может колебаться от нескольких десятков до нескольких тысяч. Митохондрия окружена оболочкой, состоящей из двух мембран. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные гребневидные складки - кристы, направленные во внутреннюю полость митохондрии. Эта полость заполнена гелеобразной массой, называемой м а т р и к с о м. В матриксе находятся рибосомы, молекула ДНК и фосфатные гранулы. В кристах происходит синтез аденозинтрофосфата (АТФ) - универсального источника энергии для организма; в матриксе работают ферменты, участвующие в цикле Кребса и в окислении жирных кислот .

М и к р о т е л ь ц а (9) - это не совсем правильной сферической формы органеллы, окруженные одинарной мембраной. Все микротельца содержат каталазу - фермент, катализирующий расщепление пероксида водорода. У растений в микротельцах протекает глиоксилатный цикл.

В растительных клетках наряду с органеллами, обнаруживаемыми в клетках животных, имеются и свои особые структуры.

К л е т о ч н а я с т е н к а - это окружающая клетку жесткая структура, расположенная снаружи клеточной мембраны. Она обеспечивает клетке механическую опору и защиту. Химическую основу клеточной стенки составляют полисахариды - целлюлоза, пектиновые вещества, гемицеллюлозы. В клеточной стенке имеются поры, выстланные клеточной мембраной. По клеточной стенке происходит передвижение воды и минеральных солей.

Х
л о р о п л а с т представляет собой крупную, содержащую хлорофилл пластиду (органеллу растительной клетки), в которой протекает фотосинтез. На рис. 1.3 показана схема хлоропласта. Хлоропласт окружен оболочкой из двойной мембраны (1) и заполнен студенистой массой - с т р о м о й (2). В строме находится система мембран, собранных в стопки, или граны (3). Кроме того строма содержит рибосомы, молеклу ДНК и капельки масла; в ней может откладываться крахмал.

Рис.1.3. Хлоропласт

К р у п н а я ц е н т р а л ь н а я в а к у о л ь - это мешок, образованный одинарной мембраной, называемой т о н о п л а с т о м. Вакуоль заполнена клеточным соком - представляющим концентрированный раствор различных веществ (минеральные соли, сахара, пигменты, органические кислоты, ферменты и другие соединения.
Глава 2. БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА
2.1. Общая характеристика белков
Белком называют часть куриного яйца, приобретающего после термической обработки белый цвет. Соединения, напоминающие по многим свойствам белок куриного яйца, были выделены из всех тканей как животного, так и растительного происхождения. Все эти соединения были объединены под общим названием белковые вещества, или белки.

Белки, или протеины (греч. протос - первый, важнейший, главный) -высокомолекулярные органические полимеры, построенные из остатков -аминокислот. Массовая доля белков в пересчете на сухое вещество в среднем составляет в организме животных 40 - 50%, в семенах растений - 10 - 35 %.

В пересчете на свежую ткань (сырую ткань) массовая доля белка в органах, тканях и жидкостях организма колеблется в следующих пределах: животный организм в целом 18 - 21%, яйца птиц - 12 - 14%, молоко 2,5 -5%, семена растений - 10 - 13 %, стебли и листья растений - 1,2 - 3% , корни и клубни растений - 0,5 - 3%, фрукты и ягоды - 0,3 -2%, грибы - 3 - 4%.

Независимо от источников получения белки содержат при пересчете на сухое вещество (в %) углерода 50-55, кислорода 21-24, азота 15-18, водорода 6,5 - 7,3, серы 0,3 - 2,5 , фосфора 0 -2, золы 0 - 0,5.

Б е л к и - важнейшие вещества, входящие в состав живых систем. Они обладают многими свойствами и функциями, отсутствующими у других органических соединений.

С т р о и т е л ь н а я (с т р у к т у р н а я) ф у н к ц и я. Белки образуют основу цитоплазмы любой живой клетки, с липидами создают структуру всех клеточных мембран и органелл.

К а т а л и т и ч е с к а я ф у н к ц и я. Все катализаторы биохимических реакций, называемые ферментами, по своей химической природе являются белками. Эта функция белков является уникальной, не свойственной другим полимерным соединениям.

Д в и г а т е л ь н а я ф у н к ц и я. Любые формы движения в живой природе (сокращение и расслабление мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших, движение протоплазмы в клетке и т.д.) осуществляется белковыми веществами клеток.

Т р а н с п о р т н а я ф у н к ц и я. В крови имеются белки, которые могут связывать и переносить определенные молекулы или ионы из одного органа в другой. В клеточных мембранах присутствует тип белков, способных связывать многие вещества и переносить их через мемрану.

З а щ и т н а я ф у н к ц и я. Многие белки защищают организм от вторжения других организмов или предохраняют его от повреждений. Антитела, образующиеся в организме - это специфические белки, обладающие способностью распозанавать проникшие в организм бактерии, чужеродные белки, токсины, а затем обезвреживать их. Белки, участвующие в процессе свертывания крови, предохраняют организм от потери крови при повреждении кровеносных сосудов. Токсические белки (змеиные яды, токсины бактерий, токсичные белки

растений), по-видимому, также выполняют защитные функции.

Р е г у л я т о р н а я ф у н к ц и я. Некоторые белки участвуют в регуляции обмена веществ в организме. Одни из регуляторных белков вырабатываются железами внутренней секреции животных и носят название гормонов. Каждый из белков-гормонов регулирует какую-либо из сторон обмена веществ, например, обмен глюкозы, транспорт ионов кальция и фосфора. Другие регуляторные белки, называемые репрессорами, регулируют биосинтез ферментов в бактериальных клетках. К регуляторным белкам можно отнести белковые ингибиторы ферментов.

З а п а с н а я (п и щ е в а я) ф у н к ц и я. Семена многих растений образуют запасы белков, потребляемые как питательные вещества на первых стадиях развития зародыша. Пищевые белки имеются в яйце птиц, молоке и т.д.

Перечисленные функции белков не охватывают все их многообразие. Можно указать и на другие функции белков, в частности, участие их в размножении, поддержании онкотического давления, реакциях “узнавания”, поведенческих реакциях человека и животных.

Белки представляют собой незаменимые составные части пищи человека и кормов сельскохозяйственных животных. Они - важнейший фактор биологической и пищевой ценности мясных и молочных продуктов, хлеба, крупы, макаронных изделий. Недостаток белка в питании человека приводит к белковому голоданию и болезни. От содержания белков и их качества в кормах зависит продуктивность сельскохозяйственных животных.

Белки - это органические соединения, в состав которых входит азот. Массовая доля азота в белке зависит от вида биологического объекта и составляет в белках животных тканей 16 %, молока (казеин) - 15,65%, зерна пшеницы, ржи, ячменя, овса - 17,54%, зерна кукурузы и грчихи - 16,67%. По содержанию азота (определяемому, как правило, методом Кьельдаля) высчитывают массовую долю белка в биологических объектах и продуктах, используя коэффициенты пересчета. Последний определяют , исходя из массовой доли азота в белке. Если анализ белков, например, зерна пшеницы показал 17,54% азота, то это значит, что в 100 г чистых белков пшеницы содержится 17,54 г азота и коэффициент пересчета массовой доли азота на белок составит 100 : 17,54 = 5,7.

Например, в навеске зерна пшеницы массовая доля азота составила 2%, значит в исследуемом зерне массовая доля белка составляет 25,7= 11,4%.

В ряде случаев для вычисления массовой доли белка по азоту берут коэффициент пересчета 6,25, учитывая, что массовая доля азота в белках составляет в среднем 16%.

Интересным является то, что все белки, существенно различающиеся по структуре, свойствам и функциям, построены из одних и тех же аминокислот.
2.2. Аминокислоты - структурные элементы белков

2.2.1. Гидролиз белков - метод определения их аминокислот- ного состава


При гидролизе белковые вещества распадаются до аминокислот. Гидолиз белка можно осуществить следующими методами:

к и с л о т н ы й г и д р о л и з - нагревание белка в растворе с концентрацией соляной кислоты = 6 моль л при 100 - 105ОС в течение 20 - 24 часов в запаянных ампулах. Обычно берут 200-500-кратное количество этого раствора кислоты к массе белка. После окончания гидролиза кислоту испаряют, смесь аминокислот промывают водой, и затем используют для анализа. При кислотном гидролизе аминокислота триптофан полностью разрушается;

щ е л о ч н о й г и д р о л и з - нагревание белка в насыщенном растворе гидроксида бария или в растворе с концентраций гидроксида натрия = 2 - 5 моль л при 100ОС в течение 4-8 часов (кипятят с обратным холодильником). При этом виде гидролиза большинство аминокислот разрушается за исключением триптофана, тирозина, треонина и серина;

ф е р м е н т а т и в н ы й г и д р о л и з - расщепление белка про-теолитическими ферментами. При помощи ферментов можно произвести полный или частичный гидролиз белков. Процесс идет при температуре 37ОС, что не приводит к разрушению аминокислот. Однако, фермента-тивный гидролиз белков до аминокислот осуществить довольно трудно.

Разделение и определение аминокислот смеси, а также выделение отдельных аминокислот из нее производят посредством методов хроматографического анализа.

Первым белком, для которого был установлен полный аминокислотный состав, был белок молока -лактоглобулин. Анализ этого белка, потребовавший нескольких лет, был завершен в 1947 году.


2.2.2. Определение и стереохимия аминокислот
Аминокислоты - это органические соединения, в молекуле которых одновременно присутствуют основная аминогруппа (NH2) и кислая карбоксильная группа (СООН). Чтобы в названии аминокислоты можно было указать положение аминогруппы, атомы углерода в ее молекуле обозначают цифрами или буквами греческого алфавита:

4() 3() 2() 1 4() 3() 2() 1

CH3  CH2  CH  COOH CH2  CH2  CH2  COOH

 



Каталог: uploads
uploads -> Черноземова Е. Н. История английской литературы: Планы. Разработки. Материалы. Задания. 2-е изд., испр
uploads -> Учебное пособие характеризует экзистенциализм в русском информационном пространстве как специфический принципа создания произведения и комплекса идей. Через ответ на этот вопрос делается выход на социальное значение журналистики
uploads -> Ч. А. Тукембаев реинкарнация – ключ к истине
uploads -> Русский хит а – Студио – Fashion Girl
uploads -> Репертуар группы cosa nostra русский хит
uploads -> Современные хиты Зарубежные хиты
uploads -> Испанский язык с любовью Caridad Bravo Adams. Corazón salvaje
uploads -> 100 книг, которые нужно прочесть «Заводной апельсин» Энтони Берджесс


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница