Предмет биохимии.

Химия-наука изучающая свойства материи и ее изменения. Можно выделить несколько перекрывающихся областей: органическую, неорганическую, физическую, коллоидную, аналитическую химию и другие. Биохимия, как это следует из ее названия, изучает химию живой природы во всех ее проявлениях: от животных до бактерий и вирусов. Биохимия отличается от органической химии рядом особенностей химических процессов, протекающих в клетке. В клетке химические реакции протекают с гораздо более высокими скоростями и при температуре равной 37 градусов по Цельсию. Одно и то же химическое соединение может претерпевать множество химических превращений в зависимости от физико-химических и физиологических условий, реализующихся в клетке. Такая множественность реакций делает необходимым существование регуляторных механизмов. И действительно, ферменты- обуславливающие особенности биохимических реакций, меняют свою активность от целого ряда факторов. На этом механизме мы остановимся позднее.

От физиологии биохимия отличается тем, что изучает не функцию органа, ткани или клетки, а все многообразие химических процессов, которые и определяют выполнение этой функции . Поскольку структурной единицей живых систем является клетка, можно сказать, что биохимия изучает химические компоненты живых клеток, а также реакции и процессы, в которых они участвуют. Клетки делят на автотрофные(утилизируют углекислый газ как источник углерода)- -клетки растений, некоторые микроорганизмы. Гетеротрофные- не могут использовать углекислый газ как источник углерода -животные клетки, большая часть бактерий. Аэробные организмы(клетки)-используют для различных окислительных процессов кислород(живут только в кислородной среде). Анаэробные - существуют в условиях отсутствия кислорода. Факультативные клетки - могут использовать кислород и обходится без него. Упомянув здесь традиционные области химии, необходимо отметить, что биохимия в большей степени опирается на органическую химию, а также связана с неорганической, физической и аналитической химией. Фундаментом для биохимии является и физиология-наука, изучающая функции органов, тканей и клеток. Но если органическая химия и физиология развиваются более 200 лет, то биохимия наука сравнительно молодая и как наука началась около 100 лет назад.

В развитии биохимии большую роль сыграли российские ученые: А.Л. Данилевский, И.П. Павлов, М.Е. Ненцкий, В.С. Гулевич, А.Н. Бах, А.В. Палладин и другие. Огромное значение для успешного развития биохимии сыграли работы зарубежных ученых: Уотсона, Крика, Эдмана, Сэнджера и многих других.

Основные вехи в развитии биохимии:

1) Само понятие “биологическая химия” введено в середине 19 века В.Клетцинским.

2) Киркгофф еще в 1814 году впервые осуществил ферментативную биохимическую реакцию( расщиплял крахмал до глюкозы под действием препарата полученного из зерен ячменя.

3) Бюхнер в конце 19 века выделил из дрозжей ферментативный препарат.)

4) Данилевский в 1863 году организовал кафедру в Казанском университете, а затем в Санкт-Петербургской военно-медицинской академии.

5) В 1883 году было организовано общество биохимиков.

6) В 1921 году в Москве А.Н. Бах организовал первый биохимический институт.

7) Первые учебники по биохимии были переводные. Первый отечественный учебник написал в 1847 году профессор Харьковского университета Ходнев.

Биохимия не просто теоретическая наука. Она имеет большее прикладное значение для биологии и медицины. Так, например, определение активности ферментов играет важную роль в развитии диагностики. Содержание определенных ферментов в сыворотке крови может служить ценным критерием при диагностике, например, перенесенного инфаркта миокарда, при дифференциальной диагностике различного рода желтух. Кроме того, биохимия создает основу для рационального назначения лекарственных препаратов. Биохимия позволяет вычислить молекулярные механизмы большого числа врожденных нарушений метаболизма. Быстрое развитие биохимии позволило исследователям приступить к изучению самых острых, коренных проблем биологии и медицины: рост и дифференциация клеток, механизм памяти, возникновение нервного импульса и т.д.

Химия белков.

Значение белков. Ткани организма в своем составе содержат большое количество макромолекул. Белки количественно преобладают над всеми другими макромолекулами и составляют более половины сухого веса большинства организмов. Не случайно белки называют протеины, что в переводе с греческого означает “первые” или “главные”. В организме человека насчитывается около 5000000 различных белков. Точное строение и структура известны примерно для 1000 белков. Первые сведения о белках появились в конце 19 века, когда были выделены из клеток сложные азотсодержащие соединения. Тогда же выявилось, что белки состоят из аминокислот. Гликокол открыли в 1820 году, а к концу 19 века открыли почти все аминокислоты.

Белки – высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Как уже упоминалось, в организме почти половину сухого остатка составляют белки, на сырую массу приходится- 10-20%. Однако различные органы и ткани содержат разное количество белка. Так, мышцы, легкие, почки, селезенка содержат 70-80% от сухой массы, жировая ткань –14-15%, кости, зубы-18-20%белка от сухой массы. Такая разница в содержании белка в различных тканях и органах обусловлена многообразием функций, выполняемых белками. Согласно выполняемым функциям, выделяют следующие группы белков:

1) каталитические белки - ферменты, ускоряющие и регулирующие реакции.

2) структурные белки - не обладая динамическими функциями, они играют роль матрицы для различных частей организма, например, коллаген, входящий в состав соединительных тканей(составляет 1/3 общего белка организма).

3) сократительные белки – молекулы этих белков способны плотно сжимать и расслаблять свою структуру, например, актин и миозин в мышцах.

4)защитные белки – например, антитела из гамма-глобулиновой фракции крови, интерфероны – белки, участвующие в защите от вирусных инфекций.

5) белки, участвующие в пищеварение – различные ферменты, например, трипсин, выделяемые в процессе желудочно-кишечной секреции, они катализируют расщепление пищевых продуктов на менее сложные соединения.

6) транспортные белки – среди них можно назвать прежде всего гемоглобин-

переносчик кислорода и углекислого газа в крови, другие белки-переносчики

обнаружены в клеточной мембране и участвуют в переносе соединений через мембрану.

7) белки крови – например, фибриноген, участвует в процессе свертывания крови.

8) белковые гормоны – белки, подобные инсулину, регулируют клеточную активность.

9) белки, связанные с ДНК(РНК) – регулирующие наследственные процессы.

10) дыхательные белки – например, цитохромы, участвующие в переносе электронов к соответствующим акцепторам, у аэробов – к кислороду.

11) белки – рецепторы – содержаться в мембране, способны передавать информацию внутрь клетки, после связывания с определенными соединениями на внешней поверхности клетки.

Элементарный и аминокислотный состав белка.

В состав белка входят 5 основных элементов:

1) углерод-52-55%

2) кислород-21-23%

3) азот-15-17% (16% )-эту цифру используют при количественном определение белка

4) водород-7-8%

5) сера-0,5-2,5%

В составе некоторых белков в небольших количествах встречаются и другие элементы: фосфор, железо, марганец, магний, медь, йод и другие.

Все белки состоят из 20 различных альфа-аминокислот.

Общая формула этих аминокислот: R-CH-COOH

|

NH2

Как видно из общей формулы все альфа-аминокислоты, участвующие в построении белка, отличаются друг от друга только химической природой радикала – R. Все эти аминокислоты изучались в курсе биоорганической химии. При подготовке к практическим занятиям необходимо повторить связи: выделяют прочные ковалентные связи (это пептидная, дисульфидная) и менее прочные – нековалентные ( ионная, водородная, гидрофобная).

Типы связей в белковых молекулах.

В молекулах белка аминокислоты связаны между собой пептидными связями

R R1 R R1

| | HOH | |

CH – COOH + CH – COOH CH – CO – NH – CH - COOH

| | | пептидная

NH2 NH2 NH2 связь

Таким образом образуются пептиды (в данном случае – дипептид). Присоединение следующей аминокислоты происходит к свободной карбоксильной группе с образованием новой пептидной связи. При соединении большого числа (обычно более ста) аминокислот путем образования пептидных связей , формируется полипептидная цепь , а каждая аминокислота в этой цепи называется аминокислотным остатком. Полипептидная цепь имеет определенное направление. Принято считать, что они начинаются с N – конца, то-есть конца несущего свободную аминогруппу и заканчивается С – концом, где есть свободная карбоксильная группа.

Необходимо отметить некоторое своеобразие пептидной связи. Так атомы углерода и азота, образующие пептидную связь, находятся примерно в одной плоскости, а атомы водорода и радикалы направлены к этой плоскости под углом 109 градусов 28минут .

O

||

-C –N –

|

H

Кислород и водород находятся в транс положении. Вот так выглядит пептидная связь. Вращение вокруг пептидной связи ограничено. Кроме того, расстояние между атомами углерода и водорода в пептидной связи равно 0,132 нанометра, втовремя как одинарная связь H3С – NH2 длину 0,147 нанометров, а в двойной связи = С = N – это расстояние равно 0,125 нанометров. Это создает предпосылки для осуществления таутомерных (лактам-лактимных) превращений, что повышает реакционную способность полипептидной цепи.

Н2N – CH – C – NH – CH – COOH Н2N– CH – C = N – CH - COOH

| || | | | |

R1 O R2 R1 OH R2

Разорвать связь можно кипячением с кислотой или щелочью, или под действием ферментов. Пептидная связь участвует в формировании первичной структуры белка.

2) Второй вид связи – дисульфидная – эта связь образуется за счет двух атомов серы - S – S - . Эту связь могут дать только серосодержащие аминокислоты. За счет дисульфидной связи связываются две или более полипептидных цепи или образуются циклические структуры.

--|----------|-----

SH SH S S

( образуется циклическая структура)

| |

|-S-S-| сшиваются две цепи, например у инсулина

| |

Дисульфидная связь участвует в формировании третичной и четвертичной структуры.

3) Водородная связь – это связь водорода с электроотрицательными группировками. Она слабая (в десять раз слабее ковалентной), но если этих связей много, то они сильно влияют на пространственную конфигурацию белковых молекул. Водородные связи возникают между соседними изгибами цепи, притягивая их друг к другу и предавая повторяемую периодичность цепи.

С Они определяют вторичную, третичную, четвертичную

| Структуры. Разрушаются при денатурации.

O

|

|

H

|

N

4)Ионные связи – образуются между заряженными частями белка, определяет общую пространственную конфигурацию.

------|----------------|---------

NH2 COOH

(аргинин, (глутаминовая кислота,

лизин) аспарагиновая кислота)

5)Гидрофобные связи – образуются неполярными радикалами в полярных растворителях. При этом отсутствует взаимодействие с водой. Гидрофобные группировки в водной среде объединяются в единые центры

(энергетически очень выгодно, этим определяется энтропия). При формировании структуры белковых молекул гидрофобные связи играют очень большую роль.

---|-------|-------|--

R1 R2 R3 R

R-

R

|

Определяют третичную и четвертичную структуру. Разрушаются при денатурации белков.

Помимо белков, высокой биологической активностью обладают и низкомолекулярные пептиды, которые как и белки так же состоят из аминокислот. Природные пептиды и зависимости от характера действия и происхождения принято делить на 4 группы:

1) Пептиды, обладающие гормональной активностью (вазопресин, окситоцин, адренокортикотропный гормон, меланоцитстимулирующий гормон, глюкагон,кальцитонин, меланоцитостимулирующий гормон и другие). Подробнее о них будет говориться в соответствующих разделах биохимии.

2) Пептиды, принимающие участие в пищеварении (гастрин, секретин). Эти гормоны синтезируются в желудке и стимулируют секрецию соляной кислоты и выделение воды и солей в поджелудочной железе.

3) Пептиды, имеющие своим источником альфа-2-глобулиновую фракцию сыворотки крови (ангиотензин – регулирует кровеносное давление, брадикинин – мощное сосудорасширяющее средство, ренин – активирует ангиотензин).

4) Нейропептиды – оказывают большое влияние на передачу нервных импульсов(энкефалины)

Очень важное значение имеет трипептид глютатион. Он участвует в транспорте аминокислот через клеточные мембраны. Поддерживает восстановленное состояние железа(+2) в гемоглобине. Сохраняет интактными –SН- группы многих белков мембраны, предохраняя их от окисления.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ.

Они определяются структурой белка. Белки – высокомолекулярные соединения, их молекулярная масса колеблется (в зависимости от вида белка) от нескольких тысяч до нескольких миллионов дальтон. Принято считать белками такой полипептид, молекулярная масса которого превышает 5000 дальтон и при этом он несет ту или иную биологическую функцию. Например, молекулярная масса инсулина составляет около 6000 дальтон, гемоглобина – 68000 дальтон, каталазы около 250000 дальтон, миозин – 500000, белки вируса табачной палочки – до 1000000 дальтон. Определение молекулярной массы белков проводят, используя различные методы. Рассмотрим некоторые из них: