Лекция 1. Введение в биохимию

ГОУ ВПО УГТУ - УПИ
Кафедра иммунохимии ХТФ
Лекция № 1
ВВЕДЕНИЕ В БИОХИМИЮ
Литература
•
Основная:
Лекции по биохимии.
Методические пособия кафедры
«Введение в основы биоорганической химии»
и «Биохимия. Учебно-методические указания к
практическим занятиям».
•
Дополнительная:
Учебники «Биологическая химия» под редакцией
Николаева А.Я., Ковалевской Н.И. – есть в
библиотеке!
Березова Т.Т., Кнорре Д.Г. и другие.
Переводные издания: «Биохимия человека» Марри и
соавт., «Основы биохимии» Ленинджера и другие.
Биохимия = биологическая химия
= химия живого
• Фундаментальная биомедицинская
наука, изучающая химический
состав, строение веществ,
составляющих живые системы, их
взаимопревращение в процессе
метаболизма в различных клетках, в
норме и при патологии.
Структура биохимии
задачи
методы
предмет
БИОХИМИЯ
СТАТИЧЕСКАЯ
разделы
ДИНАМИЧЕСКАЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
КЛИНИЧЕСКАЯ
Статическая биохимия:
Химические элементы в живых системах
Группа
Органогены
Макроэлементы
Микроэлементы
Ультрамикроэлементы
% от массы
тела
Представители
98%
С 15-18%, Н 8-10%, O 65-75%, N 1,5-3%
> 0,01
Ca, P, K, Na, S, Cl, Mg
0,00001 – 0,01
Fe, Zn, F, Sr, Mo, Cu, Br, Si,
Cs, J, Mn,
Al, Pb, Cd, B, Rb
< 0,00001
Se, Co и другие
Роль воды в живых системах:
• Среда для химических реакций
(растворитель и стабилизатор молекул
и ионов)
• Субстрат и продукт химических
реакций (гидролиза, синтеза)
• Носитель для транспорта веществ
(основной компонент крови)
• Регулятор теплового баланса
• Обеспечивает тургор клеток
Роль неорганических веществ:
• Структурная
(входят в состав сложных органических
молекул – ферментов, гормонов, транспортных белков,
макроэргических соединений)
• Механическая (кальций в костной ткани и тканях зуба)
• Биоэлектрическая (создание потенциалов – ионы
К+, Na+, Ca++, Cl-, Mg++)
• Осмотическая (создание осмотического давления)
Органические вещества в живой природе:
классификация по типу углеродного скелета
Органические
вещества
Ациклические
Алифатические
Гетероалифатические
Циклические
Карбоциклические
Углеродный скелет обладает малой
реакционной способностью, в то
время как …
Гетероциклические
Алициклические
Ароматические
Функциональные группы:
•
•
•
•
•
•
Карбоксильная
Карбонильная
Гидроксильная
Тиольная
Аминогруппа
Двойная связь (условно)
- СООН
- С=О
- ОН
- SH
- NH2
- СН = СН –
… высоко реакционноспособны и придают соединениям
специфические химические свойства.
Основные классы низкомолекулярных
органических веществ клетки:
• Карбоновые кислоты (насыщенные и ненасыщенные, моно- и
дикарбоновые, гидрокси- и оксокислоты)
• Аминокислоты (важнейшие – 20 α-аминокислот)
• Жирные кислоты (насыщенные, моно- и полиненасыщенные)
• Моносахариды (полигидроксикарбонильные соединения)
• Спирты (глицерин), аминоспирты (коламин, холин, сфингозин),
амины, тиолы, гетероциклические соединения и другие
Многие природные органические соединения
гетерофункциональны
Важнейшие гетероциклические
соединения
N
N
O
H
ПИРРОЛ
N
S
H
ФУРАН
ТИОФЕН
ИМИДАЗОЛ
N
N
ПИРИДИН
O
ПИРАН
N
ПИРИМИДИН
Важнейшие гетероциклические
соединения
N
N
N
N
H
ИНДОЛ
N
H
ПУРИН
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ:
КОМПОНЕНТЫ РЯДА ВАЖНЫХ ПРИРОДНЫХ ВЕЩЕСТВ
(АМИНОКИСЛОТ, АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ НУКЛЕИНОВЫХ
КИСЛОТ, ВИТАМИНОВ, КОФЕРМЕНТОВ)
Основные макромолекулы клетки
Мономеры
Полисахариды
Белки
Нуклеиновые
кислоты
Липиды
Моносахариды и
их производные
Аминокислоты
Нуклеотиды
Спирты и жирные
кислоты
Растворимость
в воде
Чаще растворимы
Чаще –
нерастворимы
Локализация
в клетке
Мембраны,
гранулы
Повсеместно
Ядро, рибосомы,
ЭПС,
митохондрии
Мембраны,
вакуоли
Структурная
+
+
+
+
Пластическая
+
+
+
+
Энергетическая
и резервная
+!
-/+
-
+!
Каталитическая
-
+!
-
-
Защитная
+
+
-
+
Регуляторная
+
+
+
+
Генетическая
-
-
+!
-
Общие свойства биополимеров
• Огромная молекулярная масса (104 – 106)
• Гомо- и гетерополимеры
(…АААAAAA… и …АВСCBACA…)
• Регулярного и нерегулярного строения
(…АВАВАВАВ… и …ААВАВВАВ…)
• Несколько уровней структурной
организации ( I → II → III → IV )
• Основа разнообразия биомолекул
Динамическая биохимия
Метаболизм – процессы взаимопревращения
химических веществ в живых системах.
Метаболизм = Катаболизм + Анаболизм,
Катаболизм – процессы распада более сложных
веществ до более простых
с выделением энергии.
Анаболизм – процессы синтеза более сложных
веществ из более простых
с затратой энергии.
Функции метаболизма
Жизнь = поток вещества, энергии и
информации.
Метаболизм – ключевое отличие живого
от неживого, обеспечивает
осуществление этих потоков:
1) Извлекает энергию из окружающей
среды,
2) Поддерживает структуру живой
системы,
3) Воспроизводит наследственную
информацию.
Свойства метаболизма
• Единый (обмен всех классов веществ
взаимосвязан)
• Экономичный (максимальный результат –
минимальными средствами, нет пустого
расхода энергии и вещества)
• Быстрый (ферментативный катализ)
• Организован в пространстве
(компартментализован)
• Организован во времени (регулируется)
Клетка – элементарный
метаболический реактор
ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ
СЕТЬ
КЛЕТОЧНЫЙ ЦЕНТР
МИТОХОНДРИЯ
ЯДРО
ЛИЗОСОМА
АППАРАТ
ГОЛЬДЖИ
Типы метаболических путей
Линейный:
Циклический:
C
A→ B → C → D → E
D
B
X
E
A
Разветвленный:
A→B →C →D → E
F →G
Спиральный:
C
D
B
E
A
X
Характеристика
метаболического пути:
ЧТО?: химическая сущность процесса
(субстраты, продукты, ферменты)
ГДЕ?: локализация в организме и в клетке
КОГДА?: регуляция и биологическое
значение
Регуляция метаболизма
3 уровня регуляции:
• Внутриклеточный (саморегуляция метаболизма
внутри клетки на основе свойств ферментов)
• Межклеточный (-тканевой, -органный)
(взаимодействие различных клеток, тканей, органов
при осуществлении общего метаболического
процесса )
• Центральный (деятельность нервной, эндокринной
и иммунной систем, координирующая 1 и 2 уровни)
Методы биохимии
• Методы выделения и разделения
(аналитически-дезинтегрирующие
методы)
• Методы изучения структуры веществ и
определения концентраций
• Методы изучения метаболизма