89

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Кафедра «Биотехнологии»

Бабкина Елена Евгеньевна,

доцент, к.х.н.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

БИОХИМИЯ

Направление подготовки: 240900 Химическая технология и биотехнология

Специальность подготовки: 240901 Биотехнология

Форма обучения: очная

Тула – 20___

СОДЕРЖАНИЕ

1. Биохимия - молекулярная логика живых организмов. Состав живой материи 4

1.1. Химическая организация клетки. Основные классы биомолекул, общие принципы их строения 4

1.2. Строение и функции клетки эукариотов и прокариотов. Внутриклеточные органеллы. 5

1.3. Особенности организации биосинтетических процессов в клетках прокариот и эукариот 7

2. Аминокислоты и белки 8

2.1. -Аминокислоты как структурные компоненты белков. Классификация аминокислот по характеру боковых заместителей. Кислотно-основные свойства аминокислот 8

2.2. Пептиды. Строение пептидов. Особенности пептидной связи. 14

2.3. Белки и их основные признаки. Классификации белков. Биологические функции белков и пептидов (ферменты, гормоны, транспортные белки, структурные белки, иммуноглобулины, рецепторы). 15

2.4. Структурная организация белковых молекул. Первичная структура полипептидных цепей. Пептиды. Конформация белковых молекул. Вторичная структура полипептидных цепей. Третичная структура белков. Связь третичной структуры с первичной структурой. Физико-химические свойства белков. Денатурация и ренатурация белков. 16

2.5.Роль структурной организации в образовании активных центров белковых молекул. Способность к специфическим взаимодействиям как основа биологической активности белков. Избирательное взаимодействие белка с лигандом. Типы природных лигандов. 19

2.6.Четвертичная структура белка. Свойства олигомерных белков. Роль четвертичной структуры в проявлении определенных функций белка. 19

3.Биологический катализ. Ферменты. 22

3.1.Биологическое значение ферментов. Особенности ферментов как биологических катализаторов. Классификация и номенклатура ферментов. Строение активного центра ферментов. Механизм действия ферментов. Причины высокой каталитической активности ферментов. 22

3.2.Субстратная специфичность. Специфичность пути превращения. 28

3.3.Кинетика ферментативных реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата, фермента, от температуры, рН среды. Ингибиторы ферментов (обратимые и необратимые, конкурентные и неконкурентные). 29

3.4. Способы регуляции работы ферментов. Регуляция скорости синтеза и распада ферментов, превращение проферментов в активные формы. Регуляторные (аллостерические ферменты), особенности их строения. Аллостерические эффекторы. Ковалентная модификация ферментов. 33

4. Строение, состав и физиологическая роль клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. 37

4.1. Биологические мембраны. Функции мембран. Мембранные липиды. Образование липидного бислоя мембран. Мембранные белки. Жидкостно-мозаичное строение мембран. Функции мембранных гликолипидов, гликопротеинов, белков. Свойства биологических мембран. 37

4.2. Транспорт субстратов и продуктов, основные механизмы, организация и регуляция транспортных процессов. Механизмы переноса веществ и передачи сигналов через мембрану. Пассивный транспорт. Активный транспорт. Na+/K+-насос. Экзо- и эндоцитоз.Системы унипорта, симпорта и антипорта. 40

4.3. Строение клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий. 44

5. Пути и механизмы преобразования энергии в живых системах 46

5.1. Метаболизм. Катаболизм и анаболизм 46

5.2. Принципы биоэнергетики. АТФ – основной источник и аккумулятор энергии в организме. Макроэргические соединения. Фазы катаболизма основных питательных веществ в организме. Роль высокоэнергетических фосфатов в улавливании энергии. Субстратное и окислительное фосфорилирование 47

5.4. Фотосинтез и хемосинтез. 58

Фотосинтез 58

6. Основные метаболические пути углеводов. 66

6.1. Общая схема превращения глюкозы. 66

6.2. Аэробные и анаэробные окислительно-восстановительные процессы. Аэробный и анаэробный гликолиз. Последовательность реакций. Энергетический выход аэробного и анаэробного распада глюкозы. 67

6.3. Пентозфосфатный путь. 69

6.4. Брожение. 70

6.5. Биосинтез глюкозы. Обходные пути глюконеогенеза. 71

6.6. Биосинтез глюкозы из двухуглеродных соединений (глиоксилатный цикл). 72

7. Обмен липидов. 73

7.1. Катаболизм глицерина. 73

7.2. -Окисление насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. 74

7.3. Биосинтез липидов. 75

8. Обмен белков 77

8.1. Общая схема метаболизма аминокислот. Механизмы транспорта аминокислот в клетку. 77

Метаболизм аминокислот в печени 77

8.2. Дезаминирование аминокислот: окислительное дезаминирование, трансаминирование, непрямое дезаминирование (трансдезаминирование). 78

8.3. Превращения углеродного скелета аминокислот. Кетогенные и гликогенные аминокислоты. 79

8.4. Декарбоксилирование аминокислот. Биогенные амины. 79

8.5. Азотфиксация. 80

8.6. Биосинтез заменимых и незаменимых аминокислот. 81

9. Вторичные метаболиты бактерий и растений 84

БИБЛИОГРАФИЯ 88

1. Биохимия - молекулярная логика живых организмов. Состав живой материи

Биохимия, как следует из названия (от греческого bias—жизнь) — это химия жизни, или, более строго, наука о химических основах процессов жизнедеятельности.

Структурной единицей живых систем является клетка, поэтому можно дать и другое определение:

Биологическая химия – это наука о химическом строении и функциях веществ, входящих в состав живой клетки и их превращениях в процессах жизнедеятельности.

Главная задача биохимии состоит в выявлении основных закономерностей биохимических процессов, выяснении взаимосвязи между структурой и функцией биомолекул, участвующих в реакциях метаболизма.

Для решения этой задачи необходимо выделить из клеток многочисленные соединения, которые там находятся, определить их структуру и установить их функции. В качестве примера можно указать на многочисленные исследования, направленные на выяснение молекулярных основ мышечного сокращения и ряда сходных процессов. В результате были выделены в очищенном виде многие соединения различной степени сложности и проведены детальные структурно-функциональные исследования. В итоге удалось выяснить ряд аспектов молекулярных основ мышечного сокращения.

Еще одна задача биохимии заключается в выяснении вопроса о происхождении жизни. Наши представления об этом захватывающем процессе далеки от исчерпывающих.

Сфера биохимии столь же широка, как и сама жизнь. Всюду, где существует жизнь, протекают различные химические процессы. Биохимия занимается изучением химических реакций, протекающих в микроорганизмах, растениях, насекомых, рыбах, птицах, низших и высших млекопитающих, и в частности в организме человека. Для студентов, изучающих биомедицинские науки, особый интерес представляют два последних раздела. Однако было бы недальновидно совсем не иметь представления о биохимических особенностях некоторых других форм жизни: нередко эти особенности существенны для понимания разного рода ситуаций, имеющих прямое отношение к человеку.

Фундаментальная биохимия является основой для многих наук биологического профиля, таких как генетика, физиология, микробиология, иммунология. Успехи генной инженерии в последние годы в значительной степени сблизили биохимию с биологией и ботаникой. Велико значение биохимии для таких наук как фармакология.

1.1. Химическая организация клетки. Основные классы биомолекул, общие принципы их строения

Клетка состоит из огромного числа атомов и молекул. Среди них можно выделить шесть элементов, входящих в состав подавляющего большинства биологически значимых молекул: C, O, H, S, N, P – это макроэлементы. Кроме этих элементов в состав живых организмов входят микроэлементы: Na, K, Mg, Ca, Cl, Fe, Cu, Zn, Mn, Co, I, Mo, V, Ni, Cr, F, Se, Si, Sn, As, B.

Из шести макроэлементов наибольшее значение имеет углерод, так как основные структуры живой материи состоят из углеродных каркасов, т.е. представляют собой органические молекулы.

Органические молекулы в клетках можно условно разделить на малые органические молекулы и макромолекулы. Малые органические молекулы (до 1 кДа) – моно- и дисахариды, жирные кислоты, глицерин, аминоспирты, нуклеотиды и др. Макромолекулы (1 – 1000 кДа и более) в основном представлены белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами. Они имеют разное строение и функции. Однако их объединяет общее свойство: все они представляют собой относительно крупные структуры, в качестве строительных блоков для которых используются малые органические молекулы, число которых невелико и они одни и те же для всех видов живых организмов (принцип биохимического единства всех форм жизни).

Важнейшую роль в процессах жизнедеятельности играет вода. Свыше 70% массы клеток приходится на воду. Подавляющее большинство реакций в живом организме происходит в воде. Вода является идеальным растворителем для биологических структур по сравнению с другими жидкостями. Будучи растворителем вода определяет свойства биологических соединений: участвует в формировании пространственной структуры макромолекул, влияет на реакционноспособность веществ. Если молекулы содержат заряженные или полярные группы, то диполи воды, взаимодействуя с такими группами, образуют гидратную оболочку молекул (так называемая «связанная вода»)