Биохимия - наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности.

Задачи биохимии:

1.Изучение состава, структуры и функций веществ живого организма.

2. Изучение особенностей их превращений в различных органах и тканях.

3. Изучение биохимической основы и механизма передачи генетической информации, т. е. сущность процесса воспроизводства.

4. Изучение регуляции биохимических процессов.

5. Разработка и внедрение новых методов исследований.

6. Создание современных автоматизированных диагностических приборов и др.

История развития биохимии

Термин «биохимия» эпизодически употреблялся с середины XIX века, в классическом смысле он был предложен и введён в научную среду в 1903 году немецким химиком Карлом Нойбергом. 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 и А. Л. Лавуазье. На основе открытого ими 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. Велер синтезировал мочевину: сначала — из циановой кислоты и аммиака, 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 Велера нанесли первый удар по теориям представителей школы виталистов, предполагавших присутствие во всех органических соединениях некой «жизненной силы». 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.

Первая в мире кафедра медицинской химии была создана в Казанском университете трудами российского ученого А.Я. Данилевского, а первый учебник по физиологической химии так раньше называлась медицинская химия был издан в 1847г. А И Ходневым.

В 1882 году Иван Горбачевский впервые в мире осуществил синтез мочевой кислоты из глицина. В дальнейших исследованиях он установил источник и пути её образования в человеческом и животном организмах. Иван Горбачевский одним из первых указал, что аминокислоты являются составляющими белков.

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 опираясь на работы М. Уилкинса и Р. Франклин описали структуру ДНК — ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки — молекулярной биологии.

В 1958 Джордж Бидл и Эдуард Тейтем получили Нобелевскую премию за работу проведённую на грибах выводом которой стала гипотеза "один ген - один фермент". В 1988 Колин Питчфорк стал первым человеком, осуждённым за убийство на основе доказательств, полученных в результате ДНК-дактилоскопии доказательств, и первым преступником, пойманным в результате массового применения процедуры дактилоскопии. Из последних вех в развитии биохимии следует отметить получение Эндрю Файером и Крейгом Мелло Нобелевской премии по физиологии и медицине за «открытие РНК-интерференции — эффекта гашения активности определённых генов».

Большой вклад в современное развитие биохимии внёс белорусский ученый, работающий на Гродненщине - Юрий Михайлович Островский. С 1976г он вместе с руководством отдела возглавляет лабораторию механизмов обмена веществ. Среди его научных работ 10 монографических изданий и 15 авторских работ на изобретение. В 1979г Ю. М. Островскому присвоено звание « Заслуженный деятель науки БССР». В 1985г отдел регуляции обмена веществ был передан в Институт биохимии, а Ю. М. Островский назначен его директором.

Большое значение для развития клинической лабораторной диагностики имеют монографии, написанные белорусскими учеными, Так, в 1956г. была издана книга профессора М. Ф. Мережинского «Клиническая биохимия», в 1982 г В.Г.Колба и В.С. Камышникова «Справочник по клинической биохимии», В.С. Камышникова «О чем говорят медицинские анализы», в 2000г «Справочник по клинико- биохимической лабораторной диагностике». Большим подспорьем в освоении коагулогии стали монографии по системе свертывания крови, изданные профессором Е. П. Ивановым.

Перспективы развития биохимии.

Одна из основных проблем биохимии и молекулярной биологии - это исправление дефектов генетического аппарата, радикальная терапия наследственных заболеваний. одной из задач является овладение механизмом регуляции считки генетической информации, закодированной в ДНК. изучение жизни на молекулярном уровне открывает новые возможности в борьбе с преждевременном старении, создании эффективных лекарственных средств, продлении жизни.

Значение биохимических исследований для диагностики, контроля за лечением и профилактики заболеваний.

Как медицинская дисциплина клиническая лабораторная диагностика отграничена от биохимии. К клинической лабораторной диагностике относится только тот раздел биохимии, который охватывает биохимические анализы, используемые для

1) Оценки состава сложных биологических систем (биологические жидкости).

2) Дифференциальной диагностики заболеваний.

3) Прогноза заболевания.

4) Выявления заболеваний на доклинической стадии, выявлении осложнений.

5) Оценки эффективности проводимой терапии.

Основными средствами лечения заболеваний являются разнообразные химические вещества, определённым образом влияющие на нарушенные биохимические процессы. Например, при авитаминозах больному назначают витамины, при заболеваниях вирусного или микробного происхождения-антибиотики и сыворотки, при сахарном диабете - инсулин и т. д. Значение биохимии в данном случае заключается в том, что на основании точных знаний о механизме действия повреждающего фактора учёные создают препараты, специфически влияющие именно на повреждённую реакцию с целью её нормализации. Например, сульфаниламидные препараты действуют на метаболизм только кокковых форм микроорганизмов и т. д.

Ещё М.В.Ломоносов говорил, что «медик без довольных познаний химии совершенен быть не может». Знание состава тела, процессов превращения различных веществ даёт в руки врача бесценный материал для характеристики состояния здоровья человека. Вот почему биохимия является теоретической основой медицины. Знание биохимических процессов, протекающих в здоровом организме, позволяет понять и причину различных заболеваний (их этиологию), чётко представить себе нарушения, происходящие при этом (патогенез) и наметить пути восстановления изменённых процессов путём использования различных химических средств (лечение).

Не менее существенно использование данных биохимии для диагностики заболеваний. С этой целью проводят биохимические исследования крови, мочи, кала, желудочного сока и других биологических жидкостей, а также образцов тканей различных органов (метод биопсии). В основе использования для диагностики биохимического анализа лежит представление о том , что при различных заболеваниях в тканях и биологических жидкостях организма специфически меняется концентрация определённых веществ. Например, существенное по сравнению с нормой увеличение глюкозы в крови и моче является характерным для сахарного диабета, снижение в крови уровня глобулинов свидетельствует о снижении сопротивляемости организма и т. д.

Для диагностики, контроля за лечением и профилактики заболеваний необходимо исследование определённых объектов.

Объектами биохимических исследований являются:

1. Содержимое сосудов и полостей (кровь, лимфа, ликвор, экссудаты, транссудаты, внутрисуставная жидкость, содержимое ЖКТ.)

2. Выделения человеческого организма (моча, кал, слюна, сперма, пот)

3. Ткани паренхиматозных органов.

4. Дериваты кожи (ногти, волосы).

В клинической лабораторной диагностике в настоящее время используются методы оптического, ионометрического, иммуноферментного, иммунофлюоресцнентного, радиоиммунного, генетического, электрофоретического и других видов анализа; методы «сухой» химии, технологии автоматизированного выполнения биохимических исследований, позволяющие в считанные минуты выполнять анализы, притом без использования агрессивных жидкостей (кислот, щелочей).

Для выполнения срочных исследований у постели больного применяют специальные индикаторные сухие полоски: при нанесении на такую полоску капельки крови или мочи пациента происходит характерное для заболевания изменение индикаторной зоны.

При проведении биохимических анализов пользуются методами количественного определения компонентов в биологических жидкостях на основе современных достижений медицинской науки и техники, обеспечивающих высокое качество исследований, механизацию и автоматизацию труда лаборанта.

Оценка результатов исследований.

1) По стандартному раствору. Стандартный раствор- это раствор с точно известной концентрацией. Концентрация опытной пробы определяется по формуле:

С оп= Еоп х Сст/Ест.

2) По калибровочному графику. Калибровочный график строится для методик со стабильными условиями работы в лаборатории и хорошим подчинением измерений основному закону фотометрии.. Калибровочные графики строятся на каждый вид исследования и для каждого фотометра отдельно, и недопустим перенос с одного аппарата на другой даже при использовании однотипных фотометров.

3. кинетические методы - измерение активности показателя за определённый промежуток времени.

Материал для биохимических исследований, требования к взятию, хранению, условия качественного выполнения биохимического анализа.

Для получения результатов биохимического анализа, правильно отражающих происходящие в организме изменения, необходимо обеспечить соблюдение стандартных условий взятия биологического материала, соблюдение условий его хранения, и транспортировки в лабораторию.

Лабораторные исследования проводятся у пациентов утром натощак спустя 10- 12 часов после последнего приема пищи. Исключением из этого правила являются исследования, которые проводятся при неотложных состояниях, в любое время, но с учетом этого фактора.

Исключение приема алкоголя должно быть не менее, чем за 24 ч до взятия биоматериала.

Лекарственные средства существенно влияют на результаты лабораторных исследований различным образом. Поэтому при подготовке обследуемых к проведению лабораторных исследований приняты следующие подходы:

• лекарственные средства, мешающие определению компонентов, исключаются до взятия биоматериала, если они даются не по жизненным показаниям;

• утренний прием лекарственных средств проводится только после взятия биоматериала;

• взятие крови с диагностической целью проводится перед проведением инфузии лекарственных средств и растворов.

Взятие биоматериала осуществляется до проведения диагностических или лечебных процедур: операций, инфузий, переливаний крови, растворов, пункций, инъекций, биопсий, общего массажа тела, эндоскопии, физических нагрузок, выполнения ЭКГ, рентгеновского обследования.

Во время проведения глюкозотолерантного теста (тест с нагрузкой глюкозой) не должно проводится никаких других манипуляций, в том числе диагностических.

Значительная физическая и мышечная нагрузка должны быть исключены как минимум за 3 дня до взятия биоматериала.

Для исключения влияния изменения положения тела обследуемый должен находиться в покое, сидеть или лежать не менее 5 мин в связи с изменением концентрации ряда компонентов при переходе пациента из горизонтального в вертикальное положение. Особенно это важно при исследовании показателей кислотно-основного равновесия и активности ферментов. Предпочтительно, за исключением тяжело больных, кровь у пациентов должна забираться в положении сидя.При динамическом наблюдении за пациентом взятие материала нужно проводить в идентичном положении тела.

Психические нагрузки, стрессы значительно изменяют биохимические показатели и через выброс гормонов изменяют концентрацию других компонентов. Поэтому при взятии биологической жидкости следует создать спокойную, доброжелательную обстановку.

Для обследования на отдельные показатели нужна особая подготовка пациента, например: для определения уровня мочевой кислоты – нужна безпуриновая диета: исключаются мясо, рыба, красное вино, яйца, сыр, печень на протяжении 3 дней, для определения уровня сывороточного железа -  сдавать кровь до применения препаратов железа или через 10 дней после отмены препарата, для определения скрытой крови в кале исключить из рациона пациента за 3 дня до обследования мясные продукты и препараты железа.

Кровь для исследований берется из крупных вен (чаще из локтевой) в чистую сухую пробирку, без гемолиза. Если пациенту проводится внутривенная терапия, то кровь для анализа следует брать дальше от места инфузии.

Для получения плазмы крови необходимо предотвратить процесс свертывания крови , для чего предварительно в пробирку вносят антикоагулянт (ЭДТА, гепарин, цитрат натрия) После центрифугирования в течении 7-10 мин при 1500об/ мин отделяют плазму от клеточных элементов крови и используют для исследований.

Сыворотка крови – это плазма, лишенная белка фибриногена. Для получения сыворотки в пробирку берут цельную кровь без антикоагулянта и центрифугируют в течении 10-15 мин при 150 0об/мин, а затем отделяют сыворотку от сгустка. Следует помнить, что плазму отделить от эритроцитов, а сыворотку от сгустка нужно не позже , чем через 1 час после взятия крови, иначе результаты исследования будут искажены.

Лекция № 2. Функции белков в организме. Классификация. Физико-химические свойства белков. Структура белковой молекулы. Типы связей в белковой молекуле. План лекции.

1. Белки организма, их характеристика.

2. Функции белков в организме.

3. Классификация белков.

4. Физико-химические свойства белков.

5. Структура белковой молекулы.

6. Типы связей в белковой молекуле. Белок попал в число объектов химических исследований 250 лет тому назад. В 1728 году итальянский ученый Якопо Бартоломео Беккари получил из пшеничной муки первый препарат белкового вещества - клейковины. Он подверг клейковину сухой перегонке и убедился, что продукты такой перегонки были щелочными. Это было первое доказательство единства природы веществ растительного и животного царств. Он опубликовал результаты своей работы в 1745 году, и это была первая статья о белке.

В организме человека содержится свыше 50 000 индивидуальных белков, отличающихся первичной структурой и функциями. Белки построены из 20 химически различных аминокислот, каждая из которых может занимать любое положение в полипептидной цепи. Кроме того, белки различаются количеством аминокислот, из которых они построены.

Белки представляют собой органические высокомолекулярные азотсодержащие соединения, которые встречаются повсюду, где есть жизнь. Общее содержание белка у взрослого человека составляет 45% от сухой массы, но в отдельных органах и тканях более высокое (почки, легкое, мышцы) до 80 %. Белки отличаются высокой специфичностью организации своих молекул. Их состав зависит от вида организма и тех тканей, в которых они образуются. Им присущ большой полиморфизм, что обусловливает уникальную конституцию человека и животных. Белки получили свое название от сходства с белками яйца. Белкам характерен относительно постоянный состав: углерод-53%, кислород-22%, водород-7%, азот-16%, сера-2%.

Функции белков в организме разнообразны. Они в значительной мере обусловлены сложностью и разнообразием форм и состава самих белков.

2. Транспортная. Имея различные функциональные группы и сложное строение макромолекулы, белки связывают и переносят с током крови многие соединения. Это прежде всего гемоглобин, переносящий кислород из легких к клеткам. В мышцах эту функцию берет на себя еще один транспортный белок - миоглобин.

5. Многие белки обладают сократительной функцией. Это прежде всего белки актин и миозин, входящие в мышечные волокна высших организмов. Мышечные волокна - миофибриллы - представляют собой длинные тонкие нити, состоящие из параллельных более тонких мышечных нитей, окруженных внутриклеточной жидкостью. В ней растворены аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), необходимая для осуществления сокращения, гликоген - питательное вещество, неорганические соли и многие другие вещества, в частности кальций.

Среди основных функций, выполняемых белками, особое место принадлежит каталитической. По химической природе все ферменты являются белками.

Структурная или пластическая функция – глобулины, в мышцах - актин и миозин, основу ногтей и волос составляет кератин, гемоглобин- белок эритроцитов, который транспортирует по крови кислород.

Энергетическая – при распаде 1г белка выделяется 4,1 ккал энергии. Транспортная. Определенная группа белков крови обладает способностью взаимодействовать с различными соединениями и переносить их. Так транспортируются в организме нерастворимые в воде вещества (ионы металлов, газы) или токсические продукты (билирубин, жирные кислоты).

Защитная функция- выработка антител, которые тормозят патогенное действие микроорганизмов и способствуют их разрушению.

Регуляторная – определенные белки являются гормонами, участвуют в регуляции разнообразных процессов, протекающих в организме, например гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови. Исключительно важное значение имеет еще одна функция белков - их участие в процессах и передаче генетической информации, эта функция выполняется сложными белками- нуклеопротеидами.

Классификация белков по химическому строению.

Простые белки содержат в своём составе только полипептидные цепи, состоящие из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются соответственно только на свободные аминокислоты. Простые белки в свою очередь делятся на основании некоторых условно выбранных критериев на ряд подгрупп: протамины, гистоны, альбумины, глобулины и др.

Сложные белки – это двухкомпонентные белки, которые состоят из белковой части (апопротеин) и небелкового компонента, называемого простетической группой. При гидролизе сложных белков, помимо свободных аминокислот, освобождается небелковая часть или продукты ее распада.

Классификация сложных белков основана на химической природе входящего в их состав небелкового компонента. В соответствии с этим различают фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту), хромопротеины (в состав их входят пигменты), нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты), гликопротеины (содержат углеводы), липопротеины (содержат липиды) и металлопротеины (содержат металлы).

Физико- химические свойства белков.

1)Белки являются высокомолекулярными соединениями. Это полимеры , состоящие из многих сотен и тысяч мономеров- аминокислот. Соответственно и молекулярная масса белков находится в пределах 10 000- 1 000 000.

2) Способность проявлять как кислые , так и основные свойства. т. е. выступать в роли амфотерных электролитов. Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок, входящих в состав радикалов аминокислот, карбоксильных групп. Например , кислые свойства белку придают карбоксильные группы , а щелочные – радикалы аргинина, лизина, гистидина.

3) Все белки имеют электрический заряд. Избыток основных аминокислот придает положительный заряд белковой молекуле , а в белках, где преобладают аспарагиновая и глютаминовая аминокислоты , заряд белка будет отрицательным. Вследствие этого в электрическом поле белки будут передвигаться к аноду или катоду в зависимости от величины их общего заряда. Фактором, определяющим поведение белка как катиона или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов и выражается величиной рН. Однако при определенных значениях рН число положительных и отрицательных зарядов уравнивается и молекула становится электронейтральной, т. е. она не будет перемещаться в электрическом поле. Такое значение рН среды определяется как изоэлектрическая точка белков.

При этом белок находится в наименьшем устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН в кислую или щелочную сторону легко выпадает в осадок. Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в слабокислой среде( рН 4,8-.5,4) , что свидетельствует о преобладании в их составе, дикарбоновых кислот. Амфотерность белков используют для разделения их на фракции методом электрофореза.

4)Белки способны адсорбировать на своей поверхности некоторые вещества и ионы, токсины, а затем транспортируют их к местам дальнейших превращений или обезвреживания.

5) Водные растворы белков имеют ряд особенностей:

А) Они гидрофильны т. е обладают большим сродством к воде., притягивают к себе диполи воды , которые располагаются вокруг белковой молекулы и образуют водную или гидратную оболочку. Эта оболочка предохраняет молекулы белка от склеивания и выпадения в осадок.

Б) Обратимое осаждение белков предполагает выпадение белка в осадок под действием определенных веществ, после удаления которых он вновь возвращается в свое исходное состояние.( соли щелочных и щелочноземельных металлов удаляют водную оболочку и снимают заряд.

Г) Необратимое осаждение связано с глубокими внутримолекулярными изменениями структуры белка, что приводит к потере ими нативных свойств. Такой белок называется денатурированным. А процесс денатурацией.

Д) Белки образуют коллоидные растворы (1 мкм- 1 нм).

Е) Белки не проходят через полупроницаемые мембраны.

Ж) Белки образуют вязкие растворы.

Д) Способность создавать высокое онкотическое давление.

Структура белковой молекулы.

Первичная структура. Представляет собой линейную цепь аминокислот, расположенных в определенной последовательности и соединенных между собой пептидными связями. Пептидная связь образуется за счет α- карбоксильной группы одной аминокислоты и α- аминной группы другой. Соединение, состоящее из двух аминокислот, называется дипептидом, из трех – трипептидом, и т.д. Цепи, состоящие из многих аминокислот, называются полипептидами.

Значительный вклад в изучение структуры белков внес А.Я. Данилевский, который впервые доказал наличие в белках пептидной связи, а Э.Фишер был первым, кто синтезировал полипептид, состоящий из 19 аминокислот.

Вторичная структура. Представляет собой упорядоченную и компактную упаковку полипептидной цепи. По конфигурации она бывает в виде спирали и складчатой структуры. Основу α- спирали составляет пептидная цепь, а радикалы аминокислот направлены кнаружи, располагаясь по спирали. Внешне α- спираль похожа на слегка растянутую спираль электроплитки. Такая форма характерна для белков, имеющих одну полипептидную цепь (альбуминов, глобулинов и др.)

Складчатая β-структура представляет собой плоскую форму и похожа на меха гармошки. Она характерна для белков, имеющих несколько полипептидных цепей, расположенных параллельно. β-структура встречается в таких белках, как трипсин, рибонуклеаза, кератин волос, коллаген сухожилий. Образование вторичной структуры обеспечивается водородной связью.

Третичная структура. Имеющая третичную структуру белковая молекула представляет собой более компактное пространственное расположение полипептидной цепи, точнее ее вторичной структуры. Форма третичной структуры может быть самая различная и определяется тем, что различные функциональные группы полипептидной цепи могут образовывать различные типы связей (электростатические, ионные, силы Ван-дер-Ваальса др.). Этот тип структуры является довольно жестким, что обусловлено наличием дисульфидных (-S…S-) связей (дисульфидных мостиков), которые образуются между атомами серы двух молекул цистеина, расположенных в двух участках полипептидной цепи. Именно третичная структура обеспечивает выполнение белком его основных функций и в зависимости от этого третичная структура может быть представлена или в виде шарика (глобулы) у глобулярных белков, или в виде нитей (фибрилл) у фибриллярных белков. Глобулярные белки обнаружены в крови и многих органах. Их представителями являются альбумины и глобулины. Фибриллярные белки составляют основу мышечной ткани.

Четвертичная структура характерна только для белков, состоящих из двух и более полипептидных цепей, определенным образом связанных друг с другом слабыми ионными связями. Эти полипептидные цепи представляют собой субъединицы, каждая из которых - это молекула белка со своей специфической структурой, вплоть до третичной. Такое объединение субъединиц называют четвертичной структурой. Особенностью белков с четвертичной структурой является их способностью проявлять свои функции и свойства только при наличии всех субъединиц. Удаление хотя бы одной из них приводит к потере функций. К таким белкам относятся гемоглобин, ряд ферментов и др.

Лекция №3

Химия аминокислот. Биологическое значение аминокислот, пептидов.

Классификация, свойства аминокислот. Формы связей аминокислот в белковой молекуле. Значение в формировании молекулы белка и её свойств. Важнейшие заменимые и незаменимые аминокислоты. Биологическое значение пептидов в организме, роль аминокислот в практической медицине.

Обмен белка существенно отличается от обмена жиров и углеводов тем, что во взрослом здоровом организме почти не происходит откладывания легко используемого запасного белка. Количество резервного белка, откладываемого в печени, незначительно. Увеличение общей массы белков в организме наблюдается только в период роста, в период восстановления после инфекционных болезней или голодания и в известной мере в период усиленной мышечной тренировки, когда происходит некоторое увеличение общей массы мускулатуры. Во всех остальных случаях избыточное введение белка вызывает увеличение распада белка и выведения его из организма. При минимальном поступлении белков организм испытывает белковое голодание: потери белков организмом восполняются в недостаточной степени.

Белок в организме человека образуется беспрерывно из аминокислот, поступающих в клетки в результате переваривания белка пищи. Для синтеза белка человека необходим белок пищи в определенном количестве и определенного аминокислотного состава.

Все многообразные белковые структуры содержат в своем составе всего 20 аминокислот. Незаменимыми являются 10 аминокислот, которые не синтезируются в организме человека, но вместе с тем абсолютно необходимы для нормальной жизнедеятельности. Отсутствие даже одной из них ведет к отрицательному азотистому балансу, потере массы тела и другим несовместимым с жизнью нарушениям.

Незаменимыми аминокислотами являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, цистеин, незаменимыми условно — аргинин и гистидин. Все эти аминокислоты человек получает только с пищей. Суточная потребность взрослого человека в каждой из незаменимых А. составляет в среднем около 1 г.

Заменимые аминокислоты также необходимы для жизнедеятельности человека, но они могут синтезироваться и в самом организме из продуктов обмена углеводов и липидов. К ним относятся гликокол, аланин, цистеин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, тирозин, пролин, серин, глицин.

Белки, содержащие полный набор незаменимых аминокислот, называются полноценными и имеют максимальную биологическую ценность (мясо, рыба, яйца, икра, молоко).

Белки, в которых нет хотя бы одной незаменимой аминокислоты или если они содержатся в недостаточных количествах называются неполноценными (растительные белки). В связи с этим для удовлетворения потребности в аминокислотах наиболее рациональной является разнообразная пища с преобладанием белков животного происхождения. Избыток А. подвергается распаду до конечных продуктов обмена (у человека и млекопитающих до мочевины, двуокиси углерода и воды), при котором выделяется энергия, необходимая организму для процессов жизнедеятельности.

Суточная потребность в белках у взрослого человека составляет 100 г белка, а при физических нагрузках — 130–150 г.

Животный белок пищи практически полностью превращается в собственные белки организма. Синтез же белков организма из растительных белков идет менее эффективно: коэффициент превращения составляет 0,6 – 0,7 по причине дисбаланса незаменимых аминокислот в растительных белках.

Без незаменимых аминокислот синтез белка резко нарушается и наступает отрицательный баланс азота, останавливается рост, уменьшается масса тела. При недостатке белков в организме возникают серьезные нарушения: замедление роста и развития детей, изменения в печени взрослых, деятельности желез внутренней секреции, состава крови, ослабление умственной деятельности, снижение работоспособности и сопротивляемости к инфекционным заболеваниям.

Поступление полноценных белков с пищей крайне важно для растущего организма, так как в организме ребенка не только происходит восстановление отмирающих клеток, как у взрослых, но и в большом количестве создаются новые клетки.

Аминокислоты - класс органических соединений, объединяющих в себе свойства кислот и аминов, т. е. содержащих наряду с карбоксильной группой —COOH аминогруппу —NH₂.

В зависимости от положения аминогруппы относительно карбоксильной группы различают a-, b-, g- и др. А. А. играют очень большую роль в жизни организмов, т. к. все белковые вещества построены из А. Все белки при полном гидролизе (расщеплении с присоединением воды) распадаются до свободных А., играющих роль мономеров в полимерной белковой молекуле. При биосинтезе белка порядок, последовательность расположения А. задаются генетическим кодом, записанным в химической структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты. 20 важнейших А., входящих в состав белков, отвечают общей формуле RCH(NH₂)COOH и относятся к a-А. В природе встречаются и b-А., RCH(NH₂)CH₂COOH, например b-аланин CH₂NH₂CH₂COOH, входящий в состав пантотеновой кислоты.

Все аминокислоты в зависимости от пространственной структуры разделены на несколько групп: ациклические и циклические (ароматические).

Циклические аминокислоты имеют в своем составе ароматическое или гетероциклическое ядро и как правило, не синтезируются в организме и должны поступать с пищей. Они активно участвуют в разнообразных обменных процессах ( фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, пролин, гидроксипролин). Тирозин является предшественником ряда биологически важных веществ: гормонов (тироксина), некоторых пигментов. Триптофан служит источником никотиновой кислоты, биогенных аминов, ряда пигментов. Гистидин необходим для синтеза белков, является предшественником гистамина, влияющего на кровяное давление и секрецию желудочного сока.

Ациклические аминокислоты.

Моноаминомонокарбоновые аминокислоты имеют в своем составе одну аминную и одну карбоксильную группы, в водном растворе они нейтральны.

Глицин участвует в образовании нуклеиновых и желчных кислот, гема, необходим для обезжиривания в печени токсичных продуктов. Аланин участвует в процессах обмена углеводов и энергии. Серин и треанин входят в состав различных ферментов, основного молока казеина. Цистеин и метионин имеют в своем составе атом серы. Две молекулы цистеина окисляясь образуют цистин. При этом образуется дисульфидная связь (-S-S-).

Глицин - NH₂CH₂COOH

Аланин - CH₃CH (NH₂) COOH

Цистеин - CH₂(SH)CH(NH₂)COOH

Метионин - CH₂ (SCH₃) CH₂CH (NH₂) COOH

Валин-(СН₃)₂СНСН(МН₂)СООН и др.

Моноаминодикарбоновые аминокислоты имеют одну аминную и две карбоксильные группы и в водном растворе дают кислую реакцию. К ним относятся аспарагиновая и глутаминовая кислоты, имеющие большое значение для организма. Они участвуют в биосинтезе белка, образовании важнейших соединений (тормозных медиаторов нервной системы, других аминокислот), энергетическом обмене и т. д.

Аспарагиновая - HOOC CH₂CH (NH₂) COOH

Глутаминовая - HOOC (CH₂)₂CH (NH₂) COOH

Диаминомонокарбоновые аминокислоты в водном растворе имеют щелочную реакцию за счет наличия в них двух аминных групп. Относящийся к ним лизин необходим для синтеза белков, в том числе гистонов, входящих в состав нуклеопротеидов, обнаружен в структуре некоторых ферментов. Аргинин участвует в синтезе мочевины и креатина.

Лизин - NH₂CH₂(CH₃)₂CH(NH₂)COOH

Аргинин - NH2C(=NH)NH(CH₂)₃CH(NH₂)COOH и др.

А. — бесцветные кристаллические вещества, растворимые в воде; t_пл 220—315°С. Высокая температура плавления А. связана с тем, что их молекулы имеют структуру главным образом амфотерных (двузарядных) ионов.

По физическим свойствам аминокислоты резко отличаются от соответствующих кислот и оснований. Все они кристаллические вещества, лучше растворяются в воде, чем в органических растворителях, имеют достаточно высокие температуры плавления. Особенности физических и химических свойств аминокислот обусловлены их строением — присутствием одновременно двух противоположных по свойствам функциональных групп: кислотной и основной. α-Аминокислоты являются амфотерными электролитами.