Элементарная биохимия

В. А. Энгельгардтом, а также Липманном было введено понятие о «богатых энергией» фосфорных соединениях, в частности АТФ, в макроэргических связях которых аккумулируется значительная часть энергии, освобождающейся при тканевом дыхании.

20 век ознаменовался расшифровкой химического строения всех известных в настоящее время витаминов. Вводятся международные единицы витаминов, устанавливаются потребности в витаминах человека и животных, создается витаминная промышленность.

Не менее значительные успехи достигнуты в области биохимии гормонов. Получены первые данные о механизме действия гормонов на обмен веществ. Расшифрован механизм регуляции функций эндокринных желёз по принципу обратной связи.

Возникает новое направление в биохимии – нейрохимия. Установлены особенности в химическом составе нервной ткани. Вводятся в медицинскую практику различные психофармакологические вещества, открывающие новые возможности в лечении нервных   заболеваний. Широко используются, особенно в сельском хозяйстве ингибиторы холинэстеразы (медиатора, действующего на нервные окончания) для борьбы с насекомыми-вредителями.

Важные результаты получены при изучении состава и свойств крови: изучена дыхательная функция крови в норме и при ряде патологических состояний; выяснен механизм переноса кислорода от лёгких к тканям и углекислоты от тканей к лёгким; уточнены и расшифрованы представления о механизме свёртывания крови, изучены факторы,  при врождённом отсутствии которых в крови наблюдаются различные формы гемофилии.

В развитии  современной биохимии важную роль сыграла разработка ряда специальных методов исследования: изотопной индикации, дифференциального центрифугирования, спектрофотометрии, электронного парамагнитного резонанса и др.[7]

Характеристика основных разделов элементарной биохимии.

Белки[8]

В настоящее время установлено, что в живой природе не существует небелковых организмов.

Белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, образующие при гидролизе аминокислоты. В организме животных белков содержится до 40-50 % и более на сухую массу, у растений до 20-35%.Разнообразны и очень важны функции белков.

Строительная, структурная функция. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с липидами они являются основным структурным материалом всех клеточных мембран, всех органелл.

Каталитическая функция. Практически все биохимические реакции катализируются белками-ферментами.

Двигательная функция. Любые формы движения в живой природе (работа мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших) осуществляются белковыми структурами клеток.

Транспортная функция.  Белок крови гемоглобин транспортирует кислород от легких к тканям и органам. Есть белки крови, транспортирующие липиды, железо, стероидные гормоны. Перенос многих веществ через клеточные мембраны осуществляют особые белки-переносчики.

Защитная функция. Важнейшие факторы иммунитета – антитела и система комплемента являются белками. Процесс свертывания крови, защищающий организм от чрезмерной кровопотери происходит с участием белков фибриногена, тромбина и других факторов свертывания, тоже являющихся белками. Внутренние стенки пищевода, желудка выстланы защитным слоем слизистых белков – муцинов. Основу кожи, предохраняющей тело от многих внешних воздействий, составляет белок коллаген.

Гормональная функция. Ряд гормонов по своему строению относится к белкам (инсулин) или пептидам (АКТГ, окситоцин, вазопрессин).

Опорная функция. Сухожилия, суставные сочленения, кости скелета образованы в значительной степени белками.

Запасная функция. Белки способны образовывать запасные отложения (овальбумин яиц, казеин молока, многие белки семян).

Белки имеют большое народнохозяйственное значение. Белки являются основными компонентами пищи человека и животных. Многие заболевания связаны с хроническим белковым голоданием. Технология многих производств основана на переработке белков, Изменении их свойств.

Структурными элементами белков являются аминокислоты.

Аминокислоты можно рассматривать как производные карбоновых кислот, в которых один из водородов углеродной цепи замещен на группу NH2.

Строение белковой молекулы. Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной или амидной связью. Образование ее происходит за счет аминогруппы (NH2)одной аминокислоты и карбоксильной (СООН) группы другой с выделением молекулы воды.

Структура молекулы белка имеет четыре уровня. Первичная структура белковой молекулы это порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи. Вторичная структура – это упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи, она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами. Третичная структура описывает пространственную укладку всей молекулы белка. В поддержании третичной структуры белка, ее закреплении принимают участие различные типы связей (ковалентные, ионные, водородные и гидрофобные взаимодействия). Под четвертичной структурой понимают способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в молекуле, характер  связей между ними.

Все белки принято делить на две группы: простые, или протеины (состоят только из аминокислот), и сложные (в их молекуле помимо белковой части содержится и небелковая, простетическая): хромопротеины, липопротеины, нуклеопротеины и т. д.

Ферменты[9]

Ферменты, или энзимы, - это катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах.

Являясь катализаторами – веществами, ускоряющими реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими, небиологическими катализаторами.

1.     Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде. Они не расходуются в процессе катализа.

2.     Ферменты не могут возбудить реакций, противоречащих законам термодинамики, они только ускоряют те реакции, которые могут протекать и без них.

3.     Ферменты, как правило, не смещают положения равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.

Для ферментов характерны и специфические свойства, отличающие их от химических катализаторов, выражающих их химическую природу.

1.     По химическому строению молекулы все ферменты являются белками.

2.     Эффективность ферментов выше, чем небиологических катализаторов.

3.     Ферменты обладают узкой специфичностью, избирательностью действия на субстраты, т.е. на вещества, превращения, которых они катализируют.

4.     Одним из важнейших свойств ферментов является их регулируемость.

При ферментативных реакциях в отличие от неферментативных наблюдаются лишь незначительные побочные процессы, для ферментативных реакций характерен почти 100% выход продуктов.

Согласно классификации, все ферменты разделяются на шесть классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций.

1.     Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции.

2.     Трансферазы. Катализируют реакции переноса группировок с одного соединения на другое.

3.     Гидролазы. Ускоряют гидролитическое расщепление веществ.

4.     Лиазы. Катализируют реакции негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям.

5.     Изомеразы. Катализируют реакции изомерации соединений.

6.     Лигазы (синтетазы). Ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений.

Ферментативные препараты находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В хлебопекарном производстве для ускорения гидролиза крахмала и улучшения качества теста используют амилазы. При приготовлении детской пищи с целью облегчения переваривания углеводов и белков исходные продукты обрабатываются амилазой и протеиназами. Специфические протеиназы  используют в виноделии, в кожевенной промышленности, при производстве синтетических моющих средств. Ферменты используют как лекарственные средства: пепсин, трипсин, химотрипсин, лидаза, стрептокиназа…

Нуклеиновые кислоты[10]

Нуклеиновые кислоты – это сложные соединения, состоящие из пуринового или пиримидинового азотистого основания, моносахарида пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.

Нуклеиновые кислоты – важнейший компонент всех живых организмов, всех живых клеток. С участием  нуклеиновых кислот происходит образование белков. Каждый живой организм содержит свои специфические белки, которыми он отличается то других организмов. Информация, определяющая особенности структуры белков, «записана» в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК. Все нуклеиновые кислоты делятся на два типа в зависимости от того, какой моносахарид входит в их состав; рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит рибозу, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит дезоксирибозу.

Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических, гетероциклических соединений – пурина и пиримидина. Среди пуриновых азотистых оснований главную роль играют аденин (А) и гуанин (Г), а среди пиримидиновых оснований – цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т). В состав ДНК входят аденин, цитозин, гуанин, тимин; в РНК  вместо тимина присутствует урацил.

ДНК  подобно белкам имеет первичную, вторичную и третичную структуру. Хромосомы животных, бактерий, вирусов содержат по одной непрерывной ДНК-спирали огромной длины по сравнению с размерами ядра. Более 99% ДНК клетки находится в ее ядре и около 1% в цитоплазме. Наследственная информация передается с помощью уникальной последовательности участков ядерной ДНК.

Содержащиеся в клетке РНК различаются размером, составом, функциями и локализацией. В цитоплазме содержится РНК нескольких видов: транспортная РНК (тРНК), информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК). В ядре локализована ядерная РНК (яРНК), количество которой составляет от 4 до 10% от суммарной клеточной РНК.

Синтез РНК, ДНК и белка очень сложные, взаимосвязанные процессы, которыми вплотную занимается такая наука, как генная инженерия. Основная задача генной инженерии – получение молекул ДНК in vitro, их размножение и введение в организм с целью получения новых наследственных свойств.

Углеводы[11]

Углеводами называют альдегиды и кетоны многоатомных спиртов и полимеры этих соединений. В биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений вместе взятых. В растительном мире на их долю приходится 80-90% из расчета на сухое вещество. В животном организме углеводов содержится около 2% массы тела, но значение их одинаково велико для всех  живых организмов, о чем свидетельствуют те важные функции, которые они выполняют.

1.     Энергетическая. Окисляясь в процессе дыхания, углеводы выделяют заключенную в них энергию и обеспечивают значительную часть потребности организма в ней. При окислении 1г углеводов выделяется 16,9 кДж энергии.

2.     Пластическая. Углеводы используются для синтеза многих важных для организма веществ: нуклеиновых кислот, органических кислот, а из них – аминокислот и далее белков, липидов и т. д.

3.     Защитная. Углеводы – основные компоненты оболочек растительных тканей, они участвуют в построении наружного скелета насекомых и ракообразных, в образовании клеточных стенок бактерий и клеточных мембран всех живых организмов.

4.     Опорная. Целлюлоза и другие полисахариды оболочек растений не только защищают клетки от внешних воздействий, но и образуют прочный остов растения. В комплексе с белками углеводы входят в состав хрящевых тканей человека и животных.

5.     Специфические функции углеводов. Углеводы определяют антигенную специфичность, обусловливают различия групп крови и др.

6.     Углеводы выполняют также функцию запасных питательных веществ.

Углеводы подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

К моносахаридам относятся углеводы и их производные, которые не способны расщепляться без потери основных углеводных свойств.

Олигосахариды гидролизуются с образованием небольшого числа моносахаридов (от 2 до 10).

Полисахариды (гликаны) представляют собой высокомолекулярные полимеры моносахаридов и их производных. Число остатков моносахаридных единиц в них  от 10 до нескольких тысяч.

          Образование углеводов происходит в растениях в процессе фотосинтеза и в микроорганизмах в процессе хемосинтеза.

          Человек и животные не способны к первичному биосинтезу углеводов из неорганических веществ, они могут лишь образовывать их в процессе глюконеогенеза из других органических веществ (органических кислот, жиров, аминокислот), но главным источником углеводов является пища. Углеводы составляют существенную часть рациона человека и многих животных. На их долю приходится 60-70% общей  суммы калорий пищи человека. Углеводы всасываются через слизистую оболочку кишечника только в виде моносахаридов. Для расщепления и переваривания крупных полисахаридов в пищеварительном тракте имеются десятки различных ферментных систем. В результате последовательного воздействия ферментов углеводы превращаются в моносахариды, они хорошо всасываются через кишечную стенку в кровь и разносятся по организму для выполнения своих функций.

Липиды[12]

Липидами называются неоднородные в химическом отношении вещества, общим свойством которых является хорошая растворимость в неполярных органических растворителях: эфире, ацетоне, хлороформе, бензоле и т. п. По своему химизму липиды, в большинстве случаев, представляют собой сложные эфиры высших жирных кислот с глицерином или некоторыми другими спиртами специфического строения. В составе ряда липидов кроме этих компонентов встречаются фосфорная кислота, азотистые основания, или углеводы. В экстракте, полученном при обработке животных или растительных тканей органическими  растворителями, присутствуют обычно высшие и полициклические спирты, жирорастворимые витамины, которые некоторые авторы также относят к классу липидов.

Липиды могут быть классифицированы следующим образом:

1.     Нейтральные жиры и свободные жирные кислоты

2.     Фосфолипиды

3.     Гликолипиды

4.     Стероиды

5.     Воска

6.     Терпены

Функции этого класса соединений важны и разнообразны.

1. Прежде всего, липиды в виде комплекса с белками являются структурными элементами мембран клеток и клеточных органелл. В связи с этим они определяют транспорт веществ в клетки и участвуют в ряде других процессов, связанных с функционированием мембран.

2. Липиды служат также энергетическим материалом для организма. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии, т. е. В 2 раза больше, чем при расщеплении 1 г углеводов. Одновременно липиды являются запасными веществами, в форме которых депонируется метаболическое топливо. Определенное исключение в этом отношении составляют бактерии: у большинства из них накопление энергии осуществляется в нелипидной форме (гликоген) и только 9у некоторых видов – в форме поли-3-гидроксимасляной кислоты.

3. В связи с хорошо выраженными термоизоляционными свойствами липиды сохраняют тепло в организме, особенно у морских и полярных животных, выполняя тем самым защитную функцию. В виде жировой прокладки предохраняют тело и органы животных от механического повреждения, служат жировой смазкой для кожи. Восковой налет на листьях и плодах растений защищает от избыточного испарения и проникновения микроорганизмов. Липидные компоненты бактерий в значительной мере определяют их чувствительность или резистентность к антибиотикам. Некоторые из липидов имеют отношение к иммунитету (Гликолипиды).

4. Регуляторной активностью обладают простагландины, полипреноловые коферменты – переносчики. От свойств и структуры мембранных липидов во многом зависит активность мембраносвязанных ферментов, особенности протекания процессов окислительного фосфорилирования.

5. Будучи важнейшими компонентами нервных тканей, гликолипиды оказывают существенное влияние на функционирование нервной системы.

Липиды  - важная составная часть пищи. Взрослому человеку требуется от 70 до 145 г жира в сутки в зависимости от трудовой деятельности, пола, климатических условий. Причем необходимы как животные, так и растительные жиры. Липиды являются высокоэнергетическими веществами, поэтому за их счет удовлетворяется 25-30% потребности человеческого организма в энергетическом материале. Кроме того, в составе животных жиров в организм поступают жирорастворимые витамины А, Д, К, Е, растительные жиры богаты непредельными жирными кислотами (витамин F), являющимися предшественниками простагландинов, исходным материалом для синтеза организмом фосфолипидов и других веществ.

Переваривание жира начинается в желудке, где находится фермент липаза. Основное расщепление липидов происходит в кишечнике, в первую очередь в двенадцатиперстной кишке под воздействием фермента поджелудочной железы липазы и желчи, поступающей из желчного пузыря. В результате ферментативного воздействия образуется очень тонкая жировая эмульсия, диаметр частиц которой не превышает 0,5 мкм. Такие эмульгированные жиры способны самостоятельно проходить через стенку кишечника и попадать в лимфатическую систему.

Витамины[13]

Витамины – низкомолекулярные органические соединения, которые, присутствуя в пище в небольших количествах, являются незаменимыми ее компонентами, обеспечивают нормальное протекание биохимических и физиологических процессов путем участия в регуляции метаболизма. Витамины не включаются в структуру тканей человека и животных и не используются в качестве источника энергии.

Многие витамины представляют собой исходный материал для биосинтеза коферментов и простетических групп ферментов. В этом состоит одна из основных причин необходимости витаминов для нормального протекания обменных процессов.

Витамины делят на:

1.     Растворимые в воде (витамины В1, В2, В6, В12, С)

2.     Растворимые в жирах (витамины А, К, Д, Е)

3.     Витаминоподобные соединения.

Для характеристики обеспеченности организма каким-либо витамином принято различать три ее формы: авитаминоз, гиповитаминоз, гипервитаминоз. Первый термин применяют в отношении комплекса симптомов, развивающихся в результате достаточно длительного, полного или почти полного отсутствия одного из витаминов. Под гиповитаминозом понимают состояние, характеризующее частичную, но уже проявившуюся специфическим образом недостаточность витамина. Гипервитаминоз – комплекс патофизиологических и биохимических нарушений, возникающих вследствие длительного избыточного введения в организм любого из витаминов.

Каждый  гиповитаминоз имеет свои характерные симптомы. Например, недостаток витамина А вызывает снижение зрения в темноте (гемералопию) и сухость роговицы (ксерофтальмию). Гиповитаминоз Д вызывает рахит. При авитаминозе К появляются подкожные и внутримышечные кровоизлияния. Недостаточность витаминов группы В проявляется в нарушении функции нервной системы различного характера, анемии, болезнях кожи, замедлении роста и др. Основные симптомы С-витаминной недостаточности: ломкость кровеносных капилляров, общая слабость, утомляемость, цинга.

Элементарная биохимия изучает вышеописанные вещества, их взаимные превращения, биосинтез, роль в обмене веществ, регуляции метаболизма, значение для народного хозяйства, возможности их использования в промышленности.

Актуальность биохимии как науки.

Невозможно представить в настоящее время практически ни одной естественной науки, которая не использовала бы достижения биохимии. Биологическая химия имеет и чисто научное (теоретическое) и, что наиболее важно, практическое (прикладное) значение.

Сельскохозяйственная наука использует биохимию для борьбы с насекомыми-вредителями, для создания удобрений, для селекции сортов растений и пород животных.

Пищевая промышленность использует достижения биохимии для производства легко усваиваемого детского питания, для обработки продуктов, подлежащих консервированию, для производства кисломолочных продуктов (ферменты в производстве сыра).

Генетика очень тесно взаимодействует с биохимией. Только благодаря использованию биохимических процессов и реакций возможно выделение генов, расшифровка генетического кода, воздействие на патологические гены с целью борьбы с генетическими заболеваниями.

Фармацевтическая промышленность использует результаты биохимических исследований для производства различных препаратов: Витаминов, ферментов, кровоостанавливающих лекарств, антибиотиков и т. д.

Радиология и биохимия также имеют точки соприкосновения. Существует отдельная наука – радиационная биохимия, которая изучает изменения обмена веществ, возникающие в организме при действии на него ионизирующего излучения. Воздействие радиации на организм может инициировать биохимические процессы, которые приводят к развитию лучевой болезни, рака, лейкозов, врождённых пороков развития у детей, бесплодия и других заболеваний.

Исходя из этого, конечно, наиболее прикладной характер имеет биохимия в медицине. Современные врачи проводят биохимические исследования крови, мочи, желудочного сока, спинномозговой жидкости и др. Имея результаты только биохимических исследований можно поставить диагнозы множества заболеваний (гепатита, почечной недостаточности, анемии, мочекаменной болезни, сахарного диабета и многих других). Ориентируясь на динамику изменения биохимических показателей, врачи назначают и корректируют дозы лекарственных средств и добиваются выздоровления.

Некоторые перспективы развития биохимии.

Успехи Биохимии в значительной мере определяют не только современный уровень медицины, но и ее возможный дальнейший прогресс. Одной из основных проблем биохимии и молекулярной биологии становится исправление дефектов генетического аппарата. Радикальная терапия наследственных болезней, связанных с мутационными изменениями тех или иных генов, ответственных за синтез определенных белков и ферментов, в принципе возможна лишь путем трансплантации синтезированных in vitro или выделенных из клеток аналогичных «здоровых» генов. Весьма заманчивой задачей является также овладение механизмом регуляции считки генетической информации, закодированной в ДНК, и расшифровки на молекулярном уровне механизма клеточной дифференцировки в онтогенезе. Проблема терапии ряда вирусных заболеваний, особенно лейкозов, вероятно, не будет решена до тех пор, пока не будет полностью ясен механизм взаимодействия вирусов (в частности, онкогенных) с инфицируемой клеткой. В этом направлении интенсивно ведутся работы во многих лабораториях мира. Выяснение картины жизни на молекулярном уровне позволит не только полностью понять происходящие в организме процессы, но и откроет новые возможности в создании эффективных лекарственных средств, в борьбе с преждевременным старением, развитием сердечно-сосудистых заболеваний, продлении жизни.

Список литературы.

1.     Большая медицинская энциклопедия. Москва. Медицина. 1986г.

2.     Шамин А. Н. «История биологической химии». Москва. Наука.1990г.

3.     Анисимов А. А. «Основы биохимии». Москва. Высшая школа. 1987г.

4.     Диксон М., Уэбб Э. «Ферменты». Москва. 1982г. Том 1.

5.     Северин С. Е. «Липиды. Структура, биосинтез и функции». М. 1987г.

6.     Смирнов М. И. А «Витамины». Москва. 1987г.

[1] Большая Медицинская Энциклопедия . Москва. Медицина. 1986г.

[2] Шамин А. Н. «История биологической химии» Москва. Наука. 1990г.

[3] Большая Медицинская Энциклопедия. Москва. Медицина. 1986г.

[4] Шамин А. Н. «История биологической химии» Москва. Наука. 1990г.

[5] Шамин А. Н. «История биологической химии» Москва. Наука. 1990г.

[6] Большая Медицинская Энциклопедия. Москва. Медицина. 1986г.

[7] Шамин А. Н. «История биологической химии». Москва. Наука.  1990г.

[8] Анисимов А. А. «Основы биохимии». Москва. Высшая школа. 1987г.

[9] Диксон М. Уэбб Э. «Ферменты». Москва. 1982г. Том 1.

[10] Анисимов А. А. «Основы биохимии» Москва. Высшая школа. 1987г.

[11] Анисимов А. А. «Основы биохимии» Москва. Высшая школа. 1987г.

[12] Северин С. Е. «Липиды. Структура, биосинтез и функции» Москва. 1987г.

[13] Смирнов М. И. «Витамины» Москва. 1987г.

Страницы: 1, 2