Сделай Сам Свою Работу на 5

Обмен веществ и энергии, иерархическая структурная организация и самовоспроизведение -важнейшие признаки живой материи.

Биол-я химия – это наука, изучающая хим-ий состав живых организмов, превр-ия в-в и энергии, лежащей в основе их жизнед-ти. Совокупность этих превр-ий составляет биологический обмен в-в, который является основой той формы движения материи, которую мы называем жизнью.

Таким образом, биохимия состоит как бы из трех частей:
1) статическая биохимия (это анализ химического состава живых организмов);
2) динамическая биохимия (изучает совокупность превращения веществ и энергии в организме);
3) функциональная биохимия (исследует процессы, лежащие в основе различных проявлений жизнедеятельности).

Главным для биохимии является выяснение функ-го, то есть биол-го назначения всех хим-х в-в и физико-химических процессов в живом организме, а также механизм нарушения этих функций при разных заболеваниях.

История расвития биохимии:

Авиценна (980-1037) – разработал первую химическую классификацию веществ, применяемых в медицине, и изложил ее в труде «Канон врачебной науки».

Средние века, период «алхимии» – это попытки создания химическим путем «панацеи» от всех болезней.
16-17 вв. – появилось особое направление «ятрохимия» от греч. «ятрос» – врач). Немецкий врач-ятрохимик Парацельс выдвинул прогрессивное по тем временам предположение о тесной связи химии и медицины.

Ван-Гель-Монт высказался о наличии в живых организмах факторов, участвующих в различных химических процессах.

1814 г. – русский ученый Кирхгофф описал осахаривание крахмала под действием фермента амилазы. Либих (1839) выяснил, что главные компоненты животных и растений – это белки, жиры, углеводы.
Бертло (1854) – провел синтез жиров; Бутлеров (1861) – синтез углеводов.
Т.о., в конце 19 в., появилась новая отрасль химии – биологическая химия, т.е. химия жизни, химия жизненных процессов. При этом: были заложены главные направления биохимии; открыты основные классы соединений, содержащиеся в живых организмах; были выделены белки из многих животных и растительных организмов; изучение продуктов гидролиза белков привело к открытию аминокислот



Открытие ученым Мишером в 1869 г. ДНК привело к изучению нуклеиновых кислот.

В 20 в. : Фишером была обоснована пептидная теория строения белков; Кноопом, Ленинджером – окисление и биосинтез жирных кислот.

Современная биохимия решает следующие задачи:
1. Биотехнологическую, т.е. создание фармацевтических препаратов (гормонов, ферментов), регуляторов роста растений, средств борьбы с вредителями, пищевых добавок.
2. Проводит разработку новых методов и средств диагностики и лечения наследственных заболеваний, канцерогенеза, природы онкогенов и онкобелков.
3. Проводит разработку методов генной и клеточной инженерии для получения принципиально новых пород животных и форм растений с более ценными признаками.
4. Изучает молекулярные основы памяти, психики, биоэнергетики, питания и целый ряд других задач.

Связь с фармацией: фармацевтическая биохимия – это совокупность биохимич знаний используемых для: разработки рациональных стандартизации и контроля качества лф, анализе и производства лф, при поиске новых лс и оценки их эффективн на основе изучен метаболизма

 

Обмен веществ и энергии, иерархическая структурная организация и самовоспроизведение -важнейшие признаки живой материи.

Важнейшим признаком всего живого яв-я обмен веществ.Обмен в-в обеспечивает присущее живому организму как системе динамическое равновесие, при котором взаимно уравновешиваются синтез и разрушение, размножение и гибель. В основе р-й обмена в-в лежат физико-химические взаи-я между атомами и молекулами. Сказанное означает, что сама возможность существования жизни, в первооснове своей, сводится к элементарным актам физико-химических процессов. Обмен веществ состоит из двух противоположных, одновременно протекающих процессов. Первый — анаболизм — объединяет все реакции, связанные с синтезом необходимых веществ, их усвоением и использованием для роста, развития и жизнедеятельности организма. Второй — катаболизм — включает р-ии, связанные с распадом в-в, их окислением и выведением из организма продуктов распада. В целом же, обмен веществ представляет собой комплекс биохим-х и энергет-их процессов, обесп-их испол-ие пищевых в-в для нужд организма и удовл-ия его потребностей в пластич-х и энерг-х в-х.

Живой организм – сложная, упорядоченная иерархическая структурная организация. Уровень организации живой материи повышается в ходе эволюции. Формирование каждой следующей ступени иерархии уровней происходит на основе предыдущей, которая структурно в неё входит. Существует множество теорий о структурной организации живой материи. Наиболее известная из них оценивает иерархию по критерию масштабности. Согласно ей, жизнь имеет следующие уровни организации:

1)Молекулярный уровень- отражает особенности химизма живого вещества, а также механизмы и процессы передачи генной информации

2)Клеточный и субклеточный уровни- отражают особенности специализации клеток, а также внутриклеточные структуры. На этом уровне происходят процессы жизнедеятельности (обмен веществ, питание, дыхание, раздражимость и т. д.)

3)Организменный и органно-тканевый уровни - отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ

4)Популяционно-видовой уровень- образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида, совокупность особей одного вида

5)Уровень биогеоценозов- структуры, состоящие из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс – экосистему

6)Биосферный- вся совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой

Еще одним качеством, благодаря которому возможна жизнь - это свойство живых организмов к самовоспроизведению. Самовоспр-ие свойственно целым организмам, отдельным их органам, тканям, клеткам, клеточным включениям и многим органеллам. Самовос-ние осущ-ся посредством вегетативного, полового и бесполого размножений, у животных - путем деления, живорождения, яйцерождения и яйцеживорождения. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте ДНК,. Самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности: любое живое существо рождает себе подобных, путем реализации механизма матричного синтеза ДНК.

Биохимия как Молекулярный уровеньвыступает основой для всей жизн-ти любого организма на планете,это уровень функц-я биол-х макромолекул - биополимеров: нукл-х к-т, белков, полисахаридов, липидов, стероидов. На моле-м ур-е происходят различные процессы жизн-ти живых организмов: обмен в-в, превращение энергии, формирование биопотенциалов клетки. С помощью молек-го ур-я осущес-я передача наслед-й инфор-и, обр-ся отдельные органоиды, происходят ферм-ые процесы. Понимание хим-х процессов, происходящих в организме – является одной из ключевых задач БХ, поэтому она выступает на молек-м ур-е организации живого.

Объектами биохим-о иссл-я явл-ся выдыхаемый воздух и биологические жидкости — кровь, моча, слюна, пот, а также мышечная ткань.
Выдыхаемый воздух — в нем определяют кол-о потребляемого О2и выдыха­емого СО2 Соотношение отражает интенсивность процессов энергообмена, долю в них ана­эробных и аэробных механизмов ресинтеза АТФ.
Кровь - в ней отражаются все метаболические изме­нения в тканевых жидкостях и лимфе организма. По изменению состава крови либо жидкой ее части — плазмы можно судить о гомеостатическом состоянии внутренней среды организма или изменении его при спортив­ной деятельности

 

 

3) Первичная структура- первый уровень организации белковых молекул, характеризуется последовательностью расположения, качеством и количеством соединенных между собой остатков аминокислот на всем протяжении полипептидной цепи( пептидная связь)

В каждой цепи различают две концевые АК: N-концевая имеет свободную аминогруппу и считается пер­вой, С-концевая имеет свободную карбоксильную группу и считается последней. Посл-ь АК в по­липептидной цепи обуславливает расстановку по ее длине различных функ-х гр-п .

Скелет полипептидной цепи образован аминогруппой, α-углеродом и карбоксильной группой. Боковые цепи (радикалы) АК располагаются ниже или выше остова цепи. Каждый белок харак-ся уникальной первичной структурой, ее изменения ведут к нарушениям физико-хими­ческих и функциональных свойств белков. Белки различных видов животных, одинаковые в функциональном отношении, отличаются природой входящих в их состав аминокислот, т. е. белкам присуща специфичность, обусловленная их пер­вичной структурой.

От первичной структуры зависят и антигенные свойства белка, обуславливающие выработку иммунной системой специфического белка (антитела) при введении в организм чужеродных белковых молекул. Антитела, соединяясь с антигеном, выводят его из метаболического круга, способствуя его осаждению, растворению и т. д. Часть белка, участвую­щая в образовании комплекса с антителом, называется анти­генной детерминантой

Специфичность белков

Белки обладают большой специфичностью. Белки животных разных видов, разных индивидуумов одного и того же вида, более того, разных органов и тканей одного и того же организма отличаются друг от друга. Такая специфичность белков делает невозможным введение в организм нерасщепленных чужеродных белков. Если такие чужеродные белки попадают в организм, то это вызывает образование защитных веществ против введенных белков, могут наступить тяжелые нарушения и даже гибель организма. Этим объясняются неудачи при пересадке тканей и органов от животных человеку или даже от одного человека другому. При таких операциях пересаженный орган не приживается и отмирает.

Молекулярная патология обычно используется в диагнозе рака и инфекционных заболеваний.

 

4)Вторичная структура — это способ свертывания, скручивания полипептидной цепи в спиральную или какую-либо иную конформацию. Возникает в результате образова­ния большого числа водородных связей между карбонильны­ми кислородами одной пептидной связи и азотом иминогрупп, расположенных на четыре аминокислотных остатка выше предыдущей аминокислоты. Т.о., все кис­лородные атомы карбонильных групп и атомы азота в пеп­тидных связях соединены водородными связями, каждая из которых является весьма слабой, но вместе они формируют достаточно стабильную спиралевидную структуру.

Различают два вида вторичной структуры: α-спираль и β-структура.

α-структура - спираль, имеющая правое вращение, на каждый шаг которой приходится 3,6 аминокислот или 0,54 нм (рис. 5. А). Период регулярности α-спирали ра­вен 5 шагам или 18 аминокислотным остаткам. Длина одного периода составляет 2,7 нм. Направление водородных связей совпадает с продольной осью молекулы.

Второй тип - β-конфигурация характерна для некоторых фибриллярных белков (фиброин шелка) и называется слоисто-складчатой. Белковая молекула имеет форму гармошки, направление водородных связей в которой перпендикулярно продольной оси и в которой водо­родные связи образуются не только в пределах одной поли­пептидной цепи, но и между разными цепями. Нарушение вторичной структуры возможно при нагревании. Спирализация линейной полипептидной цепи уменьшает ее размер примерно в 4 раза.

 

Третичная структура белка - это распределение в пространстве всех атомов белковой молекулы,или иначе говоря, пространственная упаковка спирализованной полипептидной цепи.Основную роль в образовании третичной структуры белка играют водородные, ионные, гидрофобные и дисульфидные связи, которые образуются в результате взаимодействия между радикалами аминокислот.

Водородныесвязиобразуются между двумя полярными незаряженными радикалами или между незаряженным и заряженным радикалами, например, радикалами серина и глутамина:

Ионныесвязи могут возникать между противоположно заряженными радикаламинапример, радикалами глутамата и аргинина:

Гидрофобныевзаимодействия характерны для неполярных радикалов, например, валина и лейцина:

Дисульфидныесвязи образуются между SH-группами двух радикалов цистеина, находящихся в разных участках полипептидной цепи.

Важное свойство белков - их способность к денатурации. Этим понятием обозначают явления, связанные с необратимым изменением вторичной, третичной и четвертичной структур белка под воздействием нагревания(часть белков подвергается денатурации уже при 40-50С- термолабильными., др белки денатурируют при гораздо более высоких темпер-х - термостабильными), кислот, щелочей, УФ-лучей, ионизирующей радиации, ультразвука и др.

В процессе денатурации белков замечаются изменения, как резкое снижение растворимости белков, утрата их видовой специфичности, биологической активности и способности к гидратации .

 

Поддержание характерной для белка конфор-мации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи. Однако белки состоят из огромного числа атомов, находящихся в постоянном (броуновском) движении, что приводит к небольшим перемещениям отдельных участков полипептидной цепи, которые обычно не нарушают общую структуру белка и его функции. Следовательно, белки обладают конформационной лабильностью - склонностью к небольшим изменениям конформации за счёт разрыва одних и образования других слабых связей. Конформация белка может меняться при изменении хим-х и физ-х св-в среды, а также при взаим-ии белка с др. молекулами. При этом происходит изменение простр-ой структуры не только участка, контак-го с другой молекулой, но и конформации белка в целом. Конформационные изменения играют огромную роль в функционировании белков в живой клетке.

 

5)Четвертичная структура- это и количество, и способ укладки полипептидных цепей (протомеров) в пространстве. Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой.Такие агрегаты стабилизируются водородными связями, ионными связями и электростатическими взаимодействиями между остатками аминокислот, находящимися на поверхности глобулы. Подобные белки называются олигомерами, а их индивидуальные цепи – протомерами (мономерами, субъединицами). Если белки содержат 2 протомера, то они называются димерами, если 4, то тетрамерами и т.д.

Протомеры связаны друг с другом посредством лишь нековалентных связей (ионных, водородных, гидрофобных). Причем протомеры взаимодействуют друг с другом только определенными участками своей поверхности (контактные участки). Взаимное «узнавание» контактных участков происходит по принципу комплементарности. Каждый протомер взаимодействует с другим во многих точках. Следовательно, ошибочные комплексы в олигомере практически невозможны.Так как субъединицы в олигомерах очень тесно взаимодействуют между собой, то любое изменение конформации какой-либо одной субъединицы обязательно влечет за собой изменение других субъединиц. Этот эффект называется кооперативное взаимодействие. Например, у гемоглобина такое взаимодействие субъединиц в легких ускоряет в 300 раз присоединение О2 к гемоглобину. В тканях отдача О2 также ускоряется в 300 раз. Присоединение в легких первой молекулы кислорода к одной из субъединиц гемоглобина изменяет ее конформацию. В результате она начинает влиять на следующую убъединицу, облегчая присоединение к ней кислорода. После этого они вдвоем влияют на третью субъединицу и так далее.

Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами (обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров или имеющие доменное строение; они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от каталитического активного центра; эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах; аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности:регуляция аллостерических ферментов обратима). Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют. Связь между структурой белка и его функцией можно рассмотреть на примере двух родственных белков: миоглобина и гемоглобина:

Миоглобин- мономер (состоит из одной полипептидной цепи), основная его функция - запасание кислорода в тканях. Имея высокое сродство к кислороду, миоглобин легко присоединяет его и отдает кислород только при интенсивной мышечной работе, когда парциальное давление кислорода падает ниже 10 мм рт. ст.

Гемоглобин- тетрамер (состоит из 4х протомеров). Основная функция гемоглобина - обратимое связывание с кислородом в легких, где парциальное давление кислорода высокое и гемоглобин взаимодействует с четырьмя молекулами кислорода.Таким образом, связывание гемоглобина с аллостерическими лигандами в тканях, при относительно высоком парциальном давлении, обеспечивает поступление кислорода в ткани.

Аллостерический эффект является результатом связывания лиганда со специфическим участком белка. Это вызывает значительное изменение в белковой молекуле, которая в свою очередь влияет на активность другого, пространственно удаленного участка. Кооперативные изменения конформации олигомерных белков составляют основу механизма регуляции функциональной активности не только гемоглобина, но и многих других белков.

 

 

6) Фибриллярные белки-имеют нитевидную форму (фибриллы) , образуют волокна и пучки волокон. Между соседними полипептидными цепями имеется много поперечных ковалентных сшивок. Нерастворимы в воде. Переходу в раствор препятствуют неполярные радикалы АК и сшивки между пептидными цепями. В организме выполняют главным образом структурную функцию, обеспечивают мех-ую прочность тканей. К фибриллярным белкам относятся:

· Коллаген - белок соединительной ткани. В его составе преобладают аминокислоты глицин, пролин, гидроксипролин.

· Эластин - более эластичен, чем коллаген, входит в состав стенок артерий, лёгочной ткани, в его составе преобладают аминокислоты глицин, аланин, валин.

· Кератин - белок эпидермиса и производных кожи, в его структуре преобладает аминокислота цистеин.Особенности конформации фибриллярных белков:1) Существование вытянутой нитевидной структуры белка возможно только при условии высокой степени структур-ти его молекулы, т.е. формировании вторичной структуры (α-спиральной или β-складчатой) практически на всём протяжении полипептидной цепи (более 80%).

2) Кроме того, в первичной структуредолжны преобладать неполярныеи незаряженныеаминокислоты.Высокая степень структурированности фибриллярных белковне позволяет им сворачиваться в компактные структуры (глобулы). Поэтому гидрофобные радикалы аминокислотных остатков развёрнуты в стороны воды, что обеспечивает нерастворимость фибриллярных белков в воде.

 

7)Биологические функции белков:1)каталитическая — все ферменты яв-ся белками, 2) транспортная — дыхательная ф-я крови перенос кислорода, осуществ-ся молекулами гемоглобина — белка эритроцитов. 3)ругуляторная — многие гормоны — белки. 4) защитная-иммунная (Ат, имуноглобуллины) 5)сократительная-актин, меозин специфические белки мышечной ткани. 6) питательная(трофическая), 7) онкотическое — поддержание онкот-го давления 8) буферная-подд-ние постоянства PH.

Белки по составу можно разделить на две группы: простые и сложные белки. Простые белки состоят только из АК остатков. Сложные белки, помимо полипептидных цепей, содержат другие хим-ие компоненты.К простым белкам относятся РНКаза и многие другие ферменты. Фибриллярные белки коллаген, кератин, эластин по своему составу являются простыми. –глютелины, и гистоны – белки, формирующие структуру хроматина, принадлежат также к простым белкам.Среди сложных белков различают металлопротеины, хромопротеины, фосфопротеины, гликопротеины, липопротеины и др.

К металлопротеинам относят белки, в составе которых имеются ионы металлов. В их молекулах встречаются такие металлы, как медь, железо, цинк, молибден, марганец и др

В составе хромопротеинов в качестве простетической группы присутствуют окрашенные соединения. Типичными хромопротеинами являются зрительный белок родопсин, принимающий участие в процессе восприятие света, и белок крови гемоглобин (Hb)При взаимодействии гемоглобина с кислородом образуется оксигемоглобин. В альвеолах легких гемоглобин насыщается кислородом. Карбоксигемоглобин не способен присоединять кислород. Вот почему происходит отравление угарным газом

Гемоглобин – транспорт кислорода. Миоглобин – запасание кислорода в мышцах. Цитохромы (ферменты) – катализ окислительно-восстановаительных реакций и электронный транспорт в дыхательной цепи.

Фосфопротеины в своем составе содержат остатки фосфорной кислоты, связанные с гидроксильной группой аминокислотных остатков сложноэфирной связью (белок молока казеин)

К липопротеинам относятся белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Эти белки встречаются в составе клеточных мембран. Липидный (гидрофобный) компонент удерживает белок в мембране (белки крови, участвующие в транспорте липидов и не образующие с ними ковалентную связь)

Гликопротеины содержат в качестве простетической группы ковалентно связанный углеводный компонент

Нуклеопротеиды – простетическая группа – нуклеиновые кислоты. Среди многочисленных классов нуклеопротеидов наиболее изученными яв-ся рибосомы, состоящие из нескольких молекул РНК и рибосомных белков, и хроматин – основной нуклеопротеид эукариотических клеток, состоящий из ДНК структурообр-их белков – гистонов (содержатся в клеточном ядре и митохондриях)

 

Одним из важнейших свойств белков, явл-ся способность к специфическим взаим-ям. Такое взаимо-ие оказывается возможным, если у белковой молекулы и в-ва, с которым она взаим-ет, имеются на поверхности функц-ные группы, способные образовать связи между собой. Это могут быть ионные, водородные связи, силы гидрофобного взаимодействия. Такие поверхности, имеющие функциональные группы, которые соответствуют друг другу, называются комплементарными.Специфичность взаимодействия молекул определяется способностью образовать между участками поверхностей молекул максимально возможное число связей.

При этом важной особенностью белков является также их способность изменять свою конформацию (т.е. пространственную конфигурацию), подгоняя ее к поверхности лиганда. Примером такой подгонки является формирование активного центра фермента при его взаим-ии с субстратом. Присоединение лигандов к белковым молекулам происходит по большому числу центров связывания.

Специфичность взаим-ия белков лежит в основе действия ферментов при их соед-ии с субстратами, в основе реакции антиген-антитело, а также взаимодействия гормонов с рецепторами, которые являются белками, в основе образования сложных белков: нулео-, липо-, гликопротеинов и др.

 

Полиморфизм белков.

В процессе развития многоклеточного организма, особенно на стадиях дифференцировки клеток, белковый состав значительно изменяется. При различных заболеваниях происходит изменение белкового состава тканей. Эти изменения называются протеинопатиями. Различают наследственные и приобретённые протеинопатии. Наследственные протеинопатии развиваются в результате повреждений в генетическом аппарате данного индивидуума. Первичная структура белков, т.е. последовательность АК в нем, программируется последовательностью нуклеотидов в ДНК. Выпадение, вставка, замена нуклеотида в ДНК приводит к изменению аминокислотного состава и, следовательно, структуры синтезируемого белка. Если изменение последовательности аАКносит не летальный характер, а приспособительный или хотя бы нейтральный, то новый белок может передаться по наследству и остаться в популяции. В результате возникают новые белки с похожими функциями. Такое явление называется полиморфизм белков.

При различных заболеваниях происходит изменение белкового состава тканей. Эти изменения называются протеинопатиями. Различают наследственные и приобретённые протеинопатии. Пример наследственной протеинопатии – гемоглобинопатии. В зависимости от роли дефектного белка в жизнедеятельности организма наследственные протеинопатии могут вызывать болезни или летальный исход. При наследственных протеинопатиях нарушается первичная структура белка. Наследственные протеинопатии обусловлены структурными изменениями в молекуле белка и в зависимости от характера повреждения, степени нарушения функции и роли дефектного белка могут вызвать болезни с разной степенью тяжести, вплоть до летального исхода, до рождения или в первые месяцы после рождения.

Приобретенныепротеинопатии обусловлены изменениями коли- чества белка при сохранении его структуры. По такому механизму развивается панкреатит в результате снижения выработки ферментов пищеварительного сока. Изменение количества белков может быть вызвано разными причинами, но практически всегда болезнь вызывает нарушения функционирования других белков.

Препараты: АК:Глицин, Глутамин-я к-та (эпилепсия, шизофрения), метионин при поражении печени(цирроз, гепатит)

Пептиды:Гастрин,эндорфины(аппетит), опоидные пептиды, ангиотензин2.

Белки: ИГ(носитель АТ) противостолбнячный,антистафилококковый/

 

 



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.