- •IV. Химический состав организмов
- •I. Особенности строения и свойств белков
- •II. Элементарный состав белков
- •Элементарный состав белков
- •VI. Оценка гомогенности белка
- •VIII. Оценка формы белковых молекул
- •IX. Аминокислотный состав белков
- •X. Пептиды. Методы их синтеза и биологическая активность (на самостоятельное изучение)
- •XI. Структура белковой молекулы
- •Четвертичная структура белка
- •XIII. Свойства белков
- •XIV. Номенклатура и классификация белков
- •XV. Функции белков в организме (на самостоятельное изучение; стр. 84, 85 в «Основах биохимии» ю.Б. Филипповича).
Лекция № 1 (Вводная)
Биохимия и её основные разделы. Развитие биохимии в России.
Химический состав организмов
Литература по биохимии:
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М.: Высшая школа, 1985 г.
2. Ленинджер А. Биохимия. М.: Мир, 1976 г.
3. Кретович В.Л. Биохимия растений. М.: Высшая школа, 1986 г.
4. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э. и др. Основы биохимии: В 3-х т. М.: Мир, 1981 г.
5. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994 г.
6. Сорвачев К.Ф. Биологическая химия. М.: Просвещение, 1971 г.
7. Филиппович Ю.Б., Севастьянова Г.А., Щеголева Л.И. Упражнения и задачи по биологической химии. М.: Просвещение, 1986 г.
I. Биохимия как наука
Биохимия – наука о качественном составе, количественном содержании и преобразованиях в процессе жизнедеятельности соединений, образующих живую материю; это наука о химии жизни.
Биохимия изучает отдельные этапы процессов обмена веществ, их взаимосвязь и взаимообусловленность, изучает физиологическую роль отдельных веществ в жизни организмов, процесс биосинтеза сложного органического вещества из простейших веществ, а также биогеохимические превращения растительных и животных остатков (образование илов, торфа, минерализацию органических остатков).
Биохимия возникла в середине XIX в., когда в ряде европейских университетов возникли самостоятельные курсы: биохимия и физиологическая химия. Эти предметы стали обязательными в программе подготовки студентов медицинских, биологических, а позднее и сельскохозяйственных специальностей. Были написаны учебники по биологической химии, стали издаваться научные журналы и вестники.
Современная биохимия охватывает огромную часть человеческих знаний, и в зависимости от подхода к изучению живой материи её делят на 3 крупных отдела:
1) статическая биохимия занимается исследованием качественного и количественного состава живых организмов;
2) динамическая биохимия занимается изучением превращений химических соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жизнедеятельности организмов;
3) функциональная биохимия. Её предмет – выяснение связей между строением химических соединений и их превращениями с одной стороны и функцией клеточных органелл, клеток, тканей или органов, включающих данные соединений, – с другой.
В зависимости от объекта и направления исследований современная биохимия включает в себя несколько разделов:
1. Общая биохимия рассматривает общие закономерности в содержании и преобразовании в процессе жизнедеятельности соединений, общих для живой материи в целом.
2. Биохимия животных изучает состав животных организмов и превращения в них веществ и энергии.
3. Биохимия растений.
4. Биохимия микроорганизмов.
5. Медицинская биохимия изучает химический состав организма человека и основные обменные процессы, происходящие в нем, в норме и при различных патологических состояниях.
6. Ветеринарная биохимия.
7. Техническая биохимия изучает состав пищевых продуктов, потребляемых человеком, процессы их производства, переработки и хранения на молекулярном уровне, а также основные элементы биотехнологии.
8. Сравнительная, радиационная, квантовая, космическая биохимия.
9. Биохимическая генетика и др.
Биохимия развивается благодаря развитию биологии, физики, информатики, математики и техники. Современная биохимия использует такие методы как: рентгеноструктурный анализ (РСТА), электронная микроскопия, газовая, жидкостная и тонкослойная хроматография, метод меченых атомов, УФ и ИК спектроскопия, ядерно-магнитный резонанс (ЯМР – дает возможность исследовать наличие ядер водорода, азота и фосфора в органических соединениях), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР – исследует свободные радикалы), масс-спектрометрия (исследование осколков молекул, возникающих при облучении вещества потоком электронов).
В недрах современной биохимии на основе методов исследования возникли такие разделы как:
1. Биоорганическая химия.
Выясняет физико-химические основы функционирования важнейших систем живой клетки, используя идеи, методы и приемы органической химии. Например: синтез природных соединений и их аналогов, химическая модификация органических соединений с целью установления связи между строением и их биологической функцией.
2. Бионеорганическая химия.
Исследует структуру и функциональную активность комплексов неорганических ионов с органическими молекулами (лигандами), их участие в процессах жизнедеятельности, вплоть до изучения возможности использования координационных соединений в качестве моделей биологических систем.
В недрах биохимии на стыке биологии, химии, математики, информатики возникла новая наука об особенностях строения и свойств молекул, обеспечивающих существование биологической формы движения материи – молекулярная биология.
Суть исследований молекулярной биологии заключается в следующем. Все живые объекты состоят из неживых молекул, подчиняющихся физическим и химическим законам поведения неживого вещества. Тем не менее живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в простом скоплении неживого вещества.
Основными из этих свойств являются:
1) Сложность и высокий уровень организации живых организмов. Они обладают усложненной внутренней структурой и содержат многочисленные соединения разнообразного строения.
2) Способность извлекать из окружающей среды и преобразовывать энергию, которая расходуется на построение и поддержание характерной для живого сложной структурной организации. Причем в качестве исходных соединений используются достаточно простые вещества: вода, углекислый газ, азот.
3) Самое поразительное свойство органических веществ – их способность к точному воспроизведению, что является основой жизни на Земле.
Главная задача, стоящая перед современной биохимией и молекулярной биологией, заключается в том, чтобы определить, каким образом неживые молекулы, составляющие живые организмы, взаимодействуют друг с другом, поддерживая живое состояние, обеспечивая его воспроизводимость. По существу молекулярная биология – это своего рода суперхимия, которая включает в себя все традиционные области химии, но в то же время является чем-то большим. Поскольку молекулы, входящие в состав живых организмов, не только подчиняются всем известным физическим и химическим законам, но кроме того, взаимодействуют друг с другом в соответствии с особой системой принципов, которую обобщенно можно назвать молекулярной логикой живого.
На основе молекулярной биологии возникли новые направления в биологии: биохимическая систематика, молекулярная эволюция, биохимическая генетика. Благодаря этим направлениям описательный характер биологических наук – ботаники, зоологии, генетики, всё более изменяется в направлении познания сущности биологических явлений на молекулярном уровне.
Уже сейчас изучение роста, развития и дифференцировки растительных и животных форм невозможно без знания молекулярных основ этих процессов.
II. История развития биохимии в России
Основоположником российской биохимии является А.Я. Данилевский, открывший в 1882 первую кафедру биохимии в Казанском университете и создавший первую русскую школу биохимиков.
Первая биохимическая лаборатория была создана в Петербурге при институте экспериментальной медицины М.В. Ненцким в 1891 г.
В 1921 г. А.Н. Бах организовал в Москве Научно-исследовательский биохимический институт, а в 1935 г. он возглавил Московский Институт биохимии АН СССР.
В 1959 г. в СССР были созданы и функционируют в настоящее время Институт биохимии имени А.Н. Баха АН СССР (РАН), Институт медицинской и биологической химии АМН СССР (РАМН), Институт молекулярной биологии АН СССР (РАН), Институт молекулярной генетики АН СССР (РАН), Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина АН СССР (РАН), Институт белка АН СССР, Институт биохимии СО РАН и др.
С 1936 г. в нашей стране выходит журнал «Биохимия», с 1950 г. – ежегодный сборник «Успехи биологической химии», с 1966 г. – серия монографий «Биологическая химия» с обзорами по основным направлениям современной биохимии, а также журналы биохимического профиля – «Молекулярная биология», «Прикладная биохимия и микробиология» и др.
III. Значение биохимии
1. Является фундаментом для решения целого ряда вопросов в биологии, медицине, животноводстве, растениеводстве, пищевой промышленности, биотехнологической промышленности и т.д.
2. Дала толчок возникновению новых биологических наук – экологической биохимии, химической филогении, химической зоологии, фитохимической экологии и др.
3. Обеспечивает стратегию создания и применения новых лекарственных препаратов и диагностики молекулярных основ многих заболеваний живых организмов.
4. Способствует повышению продуктивности растениеводства, животноводства и промышленности микробиологического синтеза за счет использования химических препаратов с хорошо изученной биохимической функцией.
5. Является теоретической и практической основой для преобразования химической промышленности и постепенного преобразования её в биотехнологическую.
IV. Химический состав организмов
В настоящее время известно около 2 млн. видов живых организмов, масса которых составляет ~ 21012 т. При этом в состав данной биомассы входит свыше 60-ти химических элементов.
Среди этих элементов находятся постоянно встречающиеся, входящие в группу макроэлементов, относительное содержание которых более 0,001% (C, H, N, P, O, S, K, Na, Ca, Cl, Mg, Fe). Остальные элементы относят к группе иногда встречающихся – микроэлементы, содержание которых находится в пределах 0,001% – 0,000001% (Zn, Mn, Cu, Co, B, Mo и др.) и ультрамикроэлементы, содержание которых менее 0,000001% (Sr, Cd, Ba, Hg, Au, U, Ra и дрю).
Многочисленные макро- и микроэлементы, образующие живую материю, присутствуют в ней в виде различных химических соединений.
Примерно 75% биомассы составляет вода, являющаяся основной средой для протекания биохимических реакций.
Ко второй группе веществ по количественному содержанию в биологических объектах, но главнейшей по значению, являются белки – до 52% в расчете на сухую массу.
Далее идут (в пересчете на сухое вещество):
Углеводы – в растениях 80–95%, у животных 5–6%.
Липиды – в растениях 2–10%, у животных 20–25%.
Нуклеиновые кислоты – в растениях и у животных примерно одинаковое содержание в пределах 2–5%.
Минеральные вещества (ионы, костная ткань) – 10–15% у животных, 1–2% в растениях.
Кроме белков, липидов, нуклеиновых кислот и минеральных веществ в состав организмов в небольших количествах входят многочисленные представители других классов органических соединений: углеводороды, спирты, альдегиды, карбоновые кислоты и их производные, аминокислоты, эфиры, амины, гетероциклы.
Определенная часть этих соединений обладает мощным физиологическим действием и влияет в значительной степени на протекание тех или иных жизненных процессов. Их называют биологически активными соединениями. К ним относятся ферменты, витамины, гормоны, биостимуляторы, коэнзимы, антибиотики и др.
Другие же вещества, не оказывающие сильного биохимического воздействия, называют метаболитами.
Среди соединений, входящих в состав живых организмов, выделяют также пластические и энергетические вещества. Пластические вещества служат строительным материалом при формировании субклеточных структур, клеток и тканей. Это – белки, липиды, высокомолекулярные углеводы и нуклеиновые кислоты. Энергетические вещества являются резервуарами энергии в живых организмах. Они поставляют энергию для разнообразных биохимических процессов, сами распадаясь при этом до CO2 и H2O. К ним относятся углеводы (глюкоза, гликоген, крахмал) и некоторые липиды (жиры).
Лекции № 2–8
Белки