Рецензия

на рукопись методических рекомендаций к лабораторным занятиям по

биохимии Е.Ю. Надежкиной и Г.А. Савина «Лабораторный практикум

по биохимии»

Представленные на рецензирование методические рекомендации к лабораторным занятиям по биохимии «Лабораторный практикум по биохимии» (авторы – Е. Ю. Надежкина и Г. А. Савин) предназначены для студентов педагогических вузов направления подготовки 050100 «Педагогическое образование», профиль «Физическая культура», изучающих курс «Основы биохимии спорта» и разработаны в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта по указанному направлению.

Особенностью данного практикума является включение в него лабораторных работ, не требующих дорогостоящего оборудования и реактивов. Тем не менее представленные общедоступные методики позволяют получить важную практическую информацию о биохимических процессах, происходящих в организме спортсмена. Химический эксперимент связан не только с проведением качественных реакций на те, или иные биологические вещества, что очень важно для обучающихся, но и с биохимическим анализом различных метаболитов в биологических жидкостях, например, в кожном экскрете, слюне. Такая тесная связь теории и практики, безусловно, повышает интерес студентов к изучаемой дисциплине, раскрывает важную роль биохимии как основы для изучения других дисциплин.

Кроме того пособие содержит контрольные вопросы и задания по темам, решение которых способствует не только углублению знаний студентов, но и повышению интереса к данному предмету.

Методические рекомендации составлены в соответствии со всеми предъявляемыми требованиями и может быть рекомендовано для публикации в открытой печати.

Рецензент:

К.б.н., доцент кафедры морфологии, физиологии

человека и медико – педагогических дисциплин Е.И. Новикова

Минобрнауки России

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный педагогический университет»

Естественно – географический факультет

Кафедра морфологии, физиологии человека

и медико – педагогических дисциплин

Надежкина Е.Ю., Савин Г.А.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО БИОХИМИИ

Волгоград 2011

Химический состав организмов. Обмен веществ и энергии.

План.

Понятие метаболизма. Катаболизма, анаболизма. Виды обмена веществ.

Особенности энергетического обмена.

Макроэргические вещества. Универсальная роль АТФ в организме.

Тема: Белки. Обмен белков.

План

1. Строение, классификация и химические свойства белков.

2. Биологическая роль белков.

3. Превращения белков в органах пищеварения.

4. Понятие об азотистом баллансе. Нормы белков в питании спортсменов.

5. Внутриклеточное превращение аминокислот.

6. Пути устранения аммиака. Синтез мочевины.

7. Обмен белков при мышечной деятельности.

Белки – высокомолекулярные органические соединения, характеризующиеся строго определенным составом и распадающиеся до аминокислот при гидролизе. Элементарный состав белков: C- 50 -55 %,H- 7,3 %,N- 15 - 18 %, О - 21 –-24 %, сера - 0 - 2,4 % и зола - 0 – 0,5 % . Характерный показатель - % содержание азота в белках. Искусственно впервые был синтезирован белок инсулин, потом уже рибонуклеаза. Синтезы сложны и дороги, поэтому в основном белки выделяют из природных источников, но и это довольно трудная задача. Белки чувствительны кt, кислотам, щелочам и теряют нативные свойства, денатурируют (нативный белок – белок, обладающий определенной биологической активностью). Чтобы этого не происходило, все операции по выделению белка проводят в мягких условиях: при низкойt( +5 С), избегая действия резких хим. агентов. Для белков тел характерны весьма разнообразные величины мол. весов – от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Форма белковых молекул бывает и шарообразная и сильно удлиненная – до нитевидных образований. При гидролизе белки распадаются до аминокислот, которые используются для синтеза видоспецифичных клеточных структур. В составе белков их встречается около 22, а вообще найдено свыше 150 различных аминокислот. В составе белков входят аминокислоты толькоL– ряда. Аминокислоты подразделяют на заменимые и незаменимые. Это следующие аминокислоты: (лейцин, изолейцин, валин, метионин, треонин, триптофан, лизин, фениналанин). Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в организме. Незаменимые поступают с пищей. Аминокислотный состав пищевых белков неодинаков. В зависимости от аминокислотного состава меняется и биологическая ценность белка. Наиболее ценными по аминокислотному составу являются белки животного происхождения. Свойства того или иного белка в значительной мере определяются набором и соотношением аминокислот. Строение белковой молекулы объясняет полипептидная теория, согласно которой белки представляют собой гигантские полипептиды, построенные из большого числа аминокислотных остатков (лизоцим – 129, миоглобин кашалота – из 155, трипсиноген – из 234 и т.д.). О том, что белки построены именно таким образом, говоря следующие факты: 1. В нативных белках удается обнаружить небольшие количества свободных –NH₂и –COOHгрупп.

2. При гидролизе высвобождение свободных групп, разрыв – NH–COидет в соотношении 1:1 и появляются свободные аминокислоты. 3. Полипептидная теория доказана синтезом белка инсулина в лаборатории.

H₂N–CH–COOHH₂N–CH–COOH

׀ ׀

CH₃ — CH — CH₃ CH₂

׀

CH₃ — CH — CH₃

Валин Лейцин

H₂N – CH – COOH

׀

CH₂

׀

COOH

Аспарагиновая кислота

Боковые цепи белков довольно разнообразны, т.к. представлены различными по хим. природе радикалами. Характер радикалов оказывает огромное влияние на свойства белков. В настоящее время различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру белковой молекулы. Под первичной структуройпонимают последовательность в расположении аминокислотных остатков в одной или нескольких полипептидных цепях, составляющих молекул белка. Первичная структура выяснена для многих белков (инсулин, рибонуклеаза, лизоцим, миоглобин, гемоглобин и т.д.). От первичный структуры зависит своеобразие свойств различных белков. Строго линейная полипептидная цепь присуща крайне ограниченному числу белков. Одним из таких является фиброин шелка. Было установлено, что полипептидная цепь у большинства белков свернута в виде спирали. Наиболее вероятным типом спирали является так называемая α – спираль. Правозакрученная α – спираль и на один виток приходится 3,6 аминокислотных остатка. Радикалы направлены наружу и вверх. Закручивание идет по часовой стрелке. Большую роль в формировании α – спирали и ее поддержании играют водородные связи, которые возникают между —COи –NHгруппами, расположенными на соседних витках спирали. Подвторичной структуройбелковой молекулы подразумевают ту или иную конфигурацию, характерную для одной или нескольких полипептидных цепей, входящих в состав молекулы. Не надо представлять, что в любом белке полипептидная цепь полностью спирализована. Такие участки чередуются с линейными. Все это не дает представления ни о форме, ни о взаимном расположении участков по отношению друг к другу. Все это выясняют при изучении третичной структуры. Подтретичной структуройбелковой молекулы понимают общее расположение в пространстве составляющих молекулу одной или нескольких полипептидных цепей, соединенных ковалентными связями. Очень сложно установить. Третичная структура белковой молекулы определяется ее первичной структурой, т.к. решающую роль в поддержании характерного для третичной структуры расположение полипептидной цепи в пространстве принадлежит взаимодействию радикалов аминокислот друг с другом. Особое значение в поддержание третичной структуры белка придает дисульфидным мостикам (S-S). Третичная структура возникает совершенно автоматически. Радикалы аминокислот взаимодействуют с молекулами растворителя. При этом лиофобные радикалы вталкиваются внутрь молекулы, образуя там сухие зоны, а лиофильные ориентируются в сторону растворителя. Достигается Е выгодная конформация и молекула стабилизируется. Биоактивность белков зависит от присущей им в нативном состоянии третичной структуры молекулы. Крупные молекулы белков состоят из субъединиц с небольшим молекулярным весом. Взаимное пространственное расположение субъединиц в единой белковой молекуле называютчетвертичной структурой(гемоглобин 4 субъединицыIIα иIIβ). Различают химические, физические и биологические свойства белков. Химические свойства различаются большим разнообразием. Реакции, характерные для аминокислот, характерны и для белков. Из физических свойств: молекулярный вес, двойное лучепреломление, подвижность в Эл. Поле, оптическая активность, способность адсорбировать на поверхности молекулы низкомолекулярные вещества, транспортная функция белков. К числу биологических свойств белков относят их биокаталитическую активность (каталитически ускоряют ход химических реакций), гормональную активность, защитные функции, пластические функции. И только белок в нативном состоянии может выполнять все эти функции.

Классификация белков: по степени сложности: простые (протеины), (дают только аминокислоты при гидролизе) и сложные (протеиды) (дают аминокислоты + добавочная группа). По форме: на фибриллярные и глобулярные. По происхождению: на растительные и животные. Сложные белки (протеиды) делят на группы взависимости от характера небелкового компонента (простетической группы) связанного с простым белком, составляющего главную часть протеида. Различают следующие виды сложных белков: 1) металлопротеиды (содержат металлы (Cu,Fe,Mgи другие); 2) фосфопротеиды (остатки фосфорной кислоты); 3) гликопротеиды (простетическая группа – углеводы); 4) хромопротеиды (есть окрашенная группа); 5) липопротеиды (липиды); 6) нуклеопротеиды (нуклеиновые кислоты);

В процессе промежуточного обмена аминокислотный фонд расходуется на биосинтез тканеспецифичных и видоспецифичных белков, свойственных только данному организму, а также на получение свободной энергии. Синтез клеточных белковых структур происходит под контролем ядерной ДНК. Программа биосинтеза, снимаемая с ДНК информационной РНК, передается в цитоплазму, где и осуществляется строительство белков, специфических для организма. Энергетический потенциал аминокислот освобождается в цикле трикарбоновых кислот. В зависимости от возраста, характера и интенсивности трат энергии потребность в белках различной биологической ценности и, в особенности в общем, количестве белка меняется. Высокий уровень пластических процессов в детском и подростковом возрасте сопровождается повышенным запросом белка, поступающего с пищей. Главным показателем удовлетворения потребности организмов белках является белковое (азотистое) равновесие. Азотистое равновесиенаблюдается в случае, когда поступление белка с пищей компенсирует снашиваемый, разрушающийся белок. Оно характеризует жизнедеятельность здорового человека. Приотрицательном азотистом балансе с мочой и потом выделяется азота больше, чем потребляется с пищей. Происходит прогрессирующее истощение, разрушение белковых структур клеток. После болезни, а также при напряженной мышечной работе в организме идут интенсивные пластические процессы. Происходит задержка (ретенция) азота в организме, что и характеризуетположительный азотистый баланс.

Тема: Углеводы. Обмен углеводов.

К классу углеводов относят органические соединения, содержащие альдегидную или кетонную группу и несколько спиртовых гидроксилов. Их элементарный состав выражается общей формулой CmH₂nOn. К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто совершенно различными свойствами. Основная функция углеводов – обеспечение энергий всех процессов в организме. Часто резкое ограничение углеводов в пище ведет к значительным нарушениям обмена веществ. Особенно страдает при этом белковый обмен. Белки при дефиците углеводов используются не по назначению: они становятся источниками энергии и участниками некоторых важных химических реакций. Это приводит к повышенному образованию азотистых веществ и, как следствие, к повышенной нагрузке на почки, нарушениям солевого обмена и другим, вредным для здоровья, последствиям. При достаточном поступлении углеводов с пищей белки используются, главным образом, для пластического обмена, а не для производства энергии. Таким образом, углеводы необходимы для рационального использования белков. Они также способны стимулировать окисление промежуточных продуктов обмена жирных кислот. Углеводы также являются составной частью молекул некоторых аминокислот, участвуют в построении ферментов, образовании нуклеиновых кислот, являются предшественниками образования жиров, иммуноглобулинов, играющих важную роль в системе иммунитета, и гликопротеидов – комплексов углеводов и белков, которые являются важнейшими компонентами клеточных оболочек. При дефиците углеводов в пище организм для синтеза энергии использует не только белки, но и жиры. При усиленном распаде жиров могут возникнуть нарушения обменных процессов, связанных с ускоренным образованием кетонов (ацетон), и накоплением их в организме.

Классификация углеводов. В зависимости от состава, строения и свойств, в частности от отношения к гидролизу, углеводы делятся на две группы: простые и сложные. Простые углеводы не подвергаются гидролизу. Сложные углеводы при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов. В виду того, что простые углеводы не гидролизуются, их называют моносахаридами. Все простые углеводы – кристаллические тела, хорошо растворимые в воде и имеющие, как правило, сладкий вкус, общая формула CnH₂nOn. В зависимости от числа углеродных атомов в молекуле моносахаридов различают тетрозы (C₄), пентозы (C₅), гексозы (C₆) и т.д. В природе чаще встречаются гексозыC₆H₁₂O₆и пентозыC₅H₁₀O₅. Из гексоз наибольшее значение имеет глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). Глюкоза - представитель альдоз, фруктоза – кетоз. Глюкоза и фруктоза – изомеры, имеющие одну и ту же мол. формулу, но различное строение. В состав глюкозы входит альдегидная группа, а фруктозы – кетонная. Однако моносахариды существуют не только в виде открытых цепных форм, но и в виде циклов. Эти две формы (цепная и циклическая) являются таутомерными и способны самопроизвольно переходить одна в другую в водных растворах. От формы, в которой находится моноза, зависят многие ее химические превращения. Так, глюкоза в открытой (цепной) форме вступает во все реакции, характерные для альдегидов (окисления и восстановления, замещения карбонильного кислорода, поликонденсации и т.д.). В циклической (полуацетальной) форме, т.е. когда свободная альдегидная группа отсутствует, для глюкозы характерны только реакции спиртов (взаимодействие с металлами, образования простых и сложных эфиров и т.д.). Особо важное значение имеют многие фосфорные эфиры моносахаридов, например глюкозо-1-фосфат, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, рибулозо -5-фосфат и другие. Эти соединения принимают самое активное участие в биохимических процессах, протекающих в живых объектах. Фосфорилирование (т.е. введение в молекулу моносахарида остатка фосфорной кислоты) – это первый, подготовительный этап как к распсду простых углеводов, так и к биосинтезу из них более сложных углеводов. Важнейшими представителями моноз являются рибоза, глюкоза, манноза, галактоза и фруктоза.D-рибоза входит в состав нуклеиновых кислот. При восстановлении рибозы получается пятиатомный спирт - рибит, принимающий участие в построении многих биоактивных соединений.D-глюкоза – один из наиболее распространенных природных сахаров. Входит в состав тростникового (свекловичного) сахара, крахмала, клетчатки.D-галактоза входит всостав сложных углеводов, в том числе и молочного сахара (лактозы).D-манноза образует природные сложные углеводы, называемые маннанами и являющиеся часто углеводными компонентами гликопротеидов и слизей, а также оболочек растительных клеток.D-фруктоза встречается как в свободном (например, в составе меда), так и в связанном (например, в составе тростникового сахара и некоторых высокомолекулярных природных углеводов – фруктозанов) виде. Она значительно слаще глюкозы (в 2,5 раза) и обыкновенного сахара (в 1,7 раза). Среди сложных углеводов (общая формулаCmH₂nOn) выделяют две группы: 1. Олигосахариды – сахароподобные сложные углеводы, характеризующиеся сравнительно невысоким (несколько сот) молекулярным весом, хорошей растворимостью в воде, легкой кристаллизацией и, как правило, сладким вкусом. 2. Полисахариды – высокомолекулярные сложные углеводы, составленные из многих сотен остатков простых углеводов. Их молекулярный вес составляет обычно сотни тысяч. В зависимости от количества остатков моносахаридов, входящих в молекулы олигосахаридов, последние делят на дисахариды, трисахариды и т.д. Наибольший интерес из олигосахаридов представляет группа дисахаридов – соединений, которые широко распространены в природе; многие из них имеют огромное практическое значение. К дисахаридам относятся сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар) и целлобиоза. Эти дисахариды имеют общую формулуC₁₂H₂₂O₁₁. Общая формула полисахаридов (C₆H₁₀O₅). К числу наиболее важных природных полисахаридов принадлежат крахмал, гликоген (животный крахмал), клетчатка, декстран и хитин. Многие из полисахаридов ( крахмал, гликоген, инулин) являются запасными питательными веществами, Другие (клетчатка) несут исключительно опорные и защитные функции.

С пищей в организм поступают моно-, ди-, и полисахариды. Всасываются в кишечнике моносахариды. Полисахариды в процессе движения по ЖКТ расщепляются на отдельные молекулы моносахаридов. После всасывания они попадают через брыжеечную и воротную вены в печень, где фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу. Часть глюкоза подвергается окислению, а также накапливается в виде гликогена. Остальная глюкоза через общий кровоток транспортируется в другие ткани. Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33 – 5,55 мкмоль/л, что соответствует 80-100мг на 100мл крови. Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы – инсулином. В клетке в ходе многостадийных химических реакций (цикл Кребса) глюкоза превращается в другие вещества, которые в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды, при этом выделяется энергия, используемая организмом для обеспечения жизнедеятельности. Без присутствия инсулина глюкоза не поступит в клетку и не будет использована в качестве топлива. В этом случае обычно используются жиры. Это характерно для людей с сахарным диабетом. Скорость поступления глюкозы в ткани мозга и печени не зависит от инсулина и определяется только концентрацией ее в крови. Эти ткани называются инсулиннезависимыми. Фруктоза в отличие от глюкозы может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в глюкозу, и она тоже может повышать сахар в крови, но в значительно меньшей степени. Ее применение вместо сахара позволяет снизить общее потребление углеводов. Лактоза (молочный сахар) расщепляется в ЖКТ до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Сахароза расщепляется до глюкозы и фруктозы. Все полисахариды, представленные в пище человека, за редкими исключениями, являются полимерами глюкозы. Крахмал – основной из перевариваемых полисахаридов. На его долю приходится до 80 % потребляемых с пищей углеводов. Основное отличие полисахаридов состоит в том, что при переваривании крахмала в ЖКТ происходит ферментативное расщепление и образование моносахаридов, главным из которых является глюкоза. Расщепление крахмала начинается в полости рта при участии амилазы слюны, которая частично расщепляет мол.связи, образуя менее крупные, чем крахмал молекулы – декстрины. А затем процесс переваривания происходит постепенно на протяжении всего ЖКТ. Гликоген – главная форма запаса углеводов у животных. Гликоген содержится в клетке в виде гранул, и малорастворим. Распад гликогена – гликогенолиз – происходит в период между приемами пище. Запасы углеводов в организме нормального взрослого человека (массой 70 кг) после приема пищи составляют около 327г. Функция мышечного гликогена состоит в том, что он является легкодоступным источником глюкозы, используемой в энергетических процессах в самой мышце. Гликоген печени используется для поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови, прежде всего в промежутках между приемами пищи. Через 12 – 18 ч после приема пищи запас гликогена в печени почти полностью истощается. Содержание мышечного гликогена заметно снижается только после продолжительной и напряженной физической работы.

45

45