Химические основы жизнедеятельности

Орлова Людмила Даниловна

42 часа – лекции;

34 часа – лабораторные работы;

12 часов – семинары.

Литература:

1. Кнорре, Мызина, «Биологическая химия», Москва: «Высшая школа», 1998 г.

2. Овчинников, «Биоорганическая школа», Москва: «Просвещение», 1987 г.

3. Лениндже, «Основы биохимии», 3т.

4. Страйер, «Биохимия», 3т.

5. Уайт, Хэндлер под редакцией Овчинникова, Скулачева, «Основы биохимии».

Лекция №1

Биохимия – химия живых организмов. Как наука сложилась в конце XIX века.

Возникают 2 задачи:

1. Изучение химического состава живых организмов.

2. Изучение процессов, протекающих в живых организмах, процессов на основе которых осуществляется сама жизнь.

Органогены – элементы, которые составляют основу живого.

Развитие биохимии:

1. До второй мировой войны – изучение состава живых организмов – структурная биохимия.

2. Послевоенный этап – развитие динамической биохимии, биохимия, занимающаяся изучением метаболических процессов.

На службу биохимии приходят новые инструментальные методы:

1. Метод меченых атомов, он позволяет проследить за превращением (цикл трикарбоновых кислот, синтез пуриновых оснований).

2. Скоростное дифференциальное центрифугирование, с помощью этого метода можно разделить клетку на составные части, изучать их отдельно.

3. Оптические методы. Метод РСА, был использован при изучении структуры ДНК.

4. Метод электронной микроскопии, на электронном микроскопе с разрешением 2 A можно видеть отдельные молекулы.

5. Хроматография.

6. Метод молекулярных сит.

7. Электрофорез.

Все эти современные методы можно сделать плоский анализ малого количества вещества (белковой молекулы).

Все живые организмы состоят из неживых молекул, все эти молекулы сами по себе подчиняются физическим и химическим законам, определяющим поведение неживого вещества.

Наиболее примечательные свойства живых организмов:

1. Сложность и высокий уровень организации. Живые организмы обладают усложненной внутренней структурой и содержат много…. соединения разнообразного состава. Неживые – неупорядоченные смеси относительно простых химических соединений.

2. Каждая составная часть живого организма имеет свою функцию. Это характерно и для индивидуальных химических компонент клетки.

3. Важной особенностью живого является возможность извлекать из окружающей среды и преобразовывать энергию, которая расходуется на построение и поддержание структуры организации. Неживая природа не обладает способностью использовать внешнюю энергию для поддержания собственной структуры.

4. Способность организмов к точному самовоспроизведению.

Задача биохимии заключатся в том, чтобы определить, каким образом неживые молекулы, составляющие живые организмы взаимодействуют друг с другом, обеспечивая жизнь и воспроизведение.

Органические соединения исключительно разнообразны, их бесконечное множество. Большинство из этих соединений крайне сложны. Простейшие организмы, (например, бактерии) содержат ~ 5000 белков и нуклеиновых кислот. В организме человека содержится ~ 5 млн. различных белков, причем ни один белок человека не соответствует белку кишечной палочки.

У каждого вида организмов свой набор белков и нуклеиновых кислот, существует ~ 10¹³, 10¹⁴ белков и 10¹¹ нуклеиновых кислот. Если сравнить эти астрономические числа с известными – большая часть органического мира нам неизвестна. Живая природа этим и отличается от неживой.

Многообразие белков и нуклеиновых кислот сводится к простой картине: макромолекулы, сводятся к большому числу простых молекул, которые являются строительным материалом. Белки состоят из 20-ти структурных элементов – аминокислот, которые связываются пептидными связями с образованием полипептидов. Все многообразие сводится к тому, сколько белков и в какой последовательности связаны между собой.

У нуклеиновых кислот – 8 структурных единиц, последовательность нуклеотидов определяет генетические закономерности.

При всей сложности молекулярной организации клетки, для неё характерна простота. Поскольку макромолекулы образуются одним и тем же способом из нескольких десятков составных частей, было высказано предположение, что все живые организмы произошли от одной первичной линии клеток.

Первые клетки были построены всего из нескольких десятков органических молекул. Каждая молекула в отдельности и все вместе взятые оказались наделенными в таком благоприятном состоянии, что это позволило им функционировать в качестве строительных блоков макромолекул и осуществлять процессы.

Такой набор первичных молекул, вероятно, сохранился в ходе биологической эволюции в течение миллиардов лет, вследствие его уникальной «пригодности».

В 1922 г. А.И. Опарин высказал предположение, что на ранних этапах истории земли в водоемах и на их поверхности содержалось большое количество органических соединений. Примерно 3 млрд. лет назад из этого органического «бульона» возникли первые живые клетки.

Было мало кислорода, большая концентрация аммиака, частые извержения вулканов, землетрясения, грозовые разряды. В экстремальных условиях смесь NH₃, CH₄, H₂O под действием грозовых разрядов образовывались простейшие органические молекулы. Первые клетки, первая жизнь возникла именно в воде.

Сейчас концепция Опарина подтверждена классическим опытом Стенли Миллера. В течение недели он пропускал электрические разряды через газовые смеси NH₃, CH₄, H₂O, H₂. Затем охладил и проанализировал состав: в этой газовой смеси обнаружились CO, CO₂, N₂, в темноокрашенном конденсате оказалось значительное количество органических соединений, α-аминокислоты, уксусная кислота.

Другим доказательством абиотического происхождения биомолекул является обнаружение скопленные органические вещества в межзвездном пространстве.

Превращались органические вещества из неорганических под воздействием энергии и дальнейшее превращение – химическая эволюция. Под термином «химическая эволюция» понимается превращение, происходящее под действием электричества и дальнейших превращений. Биологическая эволюция – образование живых клеток. Примерно 3,8 млрд. лет назад возникли первые живые клетки. Именно биологическая эволюция привела к тому, что атмосфера совершенно изменилась.

Принципы молекулярной логики живого:

1. Структура биомолекул проста в своей основе.

2. Все живые организмы состоят из одних и тех же молекул, используемых как строительные блоки, что указывает на их происхождение от общего предка.

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

4. Все биомолекулы выполняют в клетках и органах специфические функции.

Основной химический состав живых организмов:

1. Неорганические соединения (вода + минеральные кислоты);

2. Органические соединения (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, витамины, гормоны и ферменты);

Белки (протеины).

«Протеины» с греческого первые, важнейшие, они количественно преобладают над всеми молекулами. Составляют более половины сухой массы. Обладают множеством биологических функций.

Функции (группы) белковых молекул.

1. Ферменты – биокатализаторы, наиболее многочисленные группы, примерно 2 тысячи различных ферментов катализа, пепсин, катаксилаза и т.д.

2. Транспортные белки, белки плазмы крови (гемоглобин, миоглобин, сывороточный альбуник – жирные кислоты, Трансферин – перенос комплексов Fe). Переносят кислород и СО₂.

3. Сократительные (двигательные) белки. Наделяют клетку способностью сокращаться, изменять форму, передвигаться – актин, миодин – нитевидные белки, функционирующие в сократительной системе скелетных мышц.

4. Запасные (питательные) белки. Для потребления на первичных этапах – яичный белок, казеин молока.

5. Структурные белки – белки, способствующие образованию волокна, выполняющие опорную функцию, скрепляя биологические структуры придают им прочность. (фибриллярный белок – «коллаген» - хрящи и т.п.) – повышает прочность на разрыв. Кератин – в коже, фиброин – белок шелка (паутина).

6. Защитные белки – защищают организм от вторжения инородных белков или организмов – антитела, имуноглобин. Это специализированные белки, вырабатываются в лимфоцитах. Они способны распознавать инородные тела, связываться с ними и выводить их из организмов. Фибриноген и тромбин – в процессе свертываемости крови; различные яды – змеиный яд способен расщеплять лецитин – гемолиз эритроцитов.

7. Регуляторные белки – гормоны. Участвуют в системе регуляции клеточной среды – инсулин, гликоген.

Гормон роста – рос костей; белки репрессоры – регулируют синтез ферментов; мокелин – белок растительного происхождения; сладкий вкус – для получения сахарозаменителя; плазма крови некоторых арктических рыб и животных – антифризный белок.