Материал: Биомолекулы. свойства, роль в биохимии человека, технологии получения. Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.А. Хорохордина, О.Б. Рудаков, К.К. Полянский

Биомолекулы: свойства, роль в биохимии человека, технологии получения

Воронеж 2013

УДК 54.00

ББК 24.00

Х819

Рецензенты:

кафедра микробиологии и биохимии

Воронежского государственного университета инженерных технологий;

Т.А. Ковалева, д. б. н., проф.

Воронежского государственного университета

Представлены материалы курса лекций, необходимые для выполнения практических работ по дисциплине «Биохимия и биотехнологии». Пособие рекомендуется для самостоятельной работы студентов как в межсессионный период, так и в период проведения экзаменационной сессии.

Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 020900.62 (511700) «Химия, физика и механика материалов» 1-го курса дневной формы обучения.

Ил. 15. Табл. 19. Библиогр.: 47 назв.

УДК 54.00

ББК 24.00

Печатается по решению научно-методического совета Воронежского ГАСУ

ISBN 978-5-89040-462-6 © Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б.,

Полянский К.К., 2013

© Воронежский ГАСУ, 2013

Введение

Данное учебное пособие представляет собой теоретическую базу для выполнения практических работ по дисциплине «Биохимия и биотехнологии», которые выполняются студентами бакалавриата 1-го курса направления «Химия, физика и механика материалов» во втором семестре.

Необходимость данной работы обусловлена в первую очередь тем, что в строительном вузе нет литературы по данной дисциплине в том объеме, который предусмотрен образовательной программой федерального государственного образовательного стандарта подготовки бакалавров по направлению «Химия, физика и механика материалов».

Целями учебного пособия являются: во-первых, углубление знаний студентов бакалавриата в области биохимии и биотехнологий; во-вторых, привитие учащимся навыков химической работы через ознакомление студентов с некоторыми методами биохимических исследований, что позволит им, подготовится к экзамену в полной мере.

Данное пособие дает студентам возможность на конкретных примерах пояснить, как в живых организмах решаются некоторые фундаментальные проблемы, стоящие перед физикой и химией. Материал работы охватывает полный курс лекций, касающихся строения и роли биологически активных молекул в процессах жизнедеятельности. Приведены методики определения и исследования аминокислот, белков, углеводов, липидов, ферментов и витаминов.

Обобщения по курсу лекций вносят вклад в подготовку молодежи к будущему, связанному с постоянно возрастающим беспокойством о здоровье и благополучии всего человечества. Поразительные успехи биохимической генетики и генной инженерии наряду с социальными последствиями их использования уже стали предметом широкого общественного внимания и интереса. Человек становится также свидетелями того, как рост народонаселения, а соответственно и увеличение потребностей в продуктах питания, сырье и энергии нарушают тонко сбалансированное экологическое равновесие в биосфере. Обществу во все возрастающей мере приходится принимать ответственные решения в конфликтных ситуациях, возникающих при столкновении интересов политического, экономического и этического характера с биологическими законами. Поэтому можно утверждать, что знание биохимии и биотехнологий полезно любому образованному человеку независимо от рода его деятельности.

Данное учебное пособие состоит из трех частей: биомолекулы, вопросы биохимии человека и основы биотехнологии. Излагаемый материал включает в себя не только энциклопедический охват всех деталей, но и выявление основ молекулярной логики биохимии, однако процессы, имеющие фундаментальное значение, раскрыты во всей полноте и подробностях.

Первая часть, посвящена рассмотрению структуры клеток и важнейшим принципам органической химии, относящимся к биомолекулам. Материал, изложенный в этих главах, может оказаться полезным для тех, кто недостаточно подготовлен по биологии и органической химии. После рассмотрения свойств воды подробно описываются структура и биологические функции белков. Далее рассматриваются ферменты и способы регуляции их активности, причем постоянно подчеркивается значение трехмерной структуры белка. Завершается данный раздел главами, посвященными углеводам, липидам и витаминам.

Вторая часть пособия посвящена биохимии человека. Она состоит из глав, в которых анализируются взаимосвязи между различными органами в процессах метаболизма, касающиеся питания человека. Проблемы питания не сводятся к знанию того, что тот или иной витамин входит в состав того или иного кофермента. Наука о питании – это один из самых важных вкладов биохимии в благосостояние человечества и, мы убеждены, что она требует более обобщенного, интегративного подхода.

В третьей части рассматриваются актуальные вопросы молекулярной генетики и генной инженерии, рассмотрены последние достижения в этой области.

В данном пособие приводится большое число любопытных сведений из смежных областей, одни из них касаются истории науки, другие - медицины, третьи - зоологии и физиологии животных, сельского хозяйства и науки о питании, проблем охраны окружающей среды и обеспечения человечества про­дуктами питания. В некоторые главы работы включены небольшие разделы, содержащие дополнительную информацию, детализирующую отдельные вопросы. Этот материал необязателен для общего курса биохимии и биотехнологиях.

1. Биомолекулы

1.1. Определение и становление биохимии как науки

Совокупность биохимических превращений в постоянной взаимосвязи с окружающей средой обеспечивает функционирование живых организмов в ус­ловиях сбалансированности синтеза и распада веществ в клетках и тканях. Главной задачей биохимии является идентификация основных закономерностей биохимических процессов, выяснение взаимосвязи между структурой и функциями биомолекул, участвующих в реакциях клеточного метаболизма.

Биохимия изучает химию живой природы в широком диапазоне: от чело­века и позвоночных до бактерий и вирусов. В зависимости от объекта исследо­вания можно условно выделить биохимию животных и человека, биохимию растений и биохимию микроорганизмов. Однако, несмотря на определенные, порой принципиальные различия в химическом составе и обмене веществ тех или иных видов живых организмов, существует биохимическое единство всех форм жизни.

Выделяют ряд разделов биохимии и по объектам исследования, например: медицинская биохимия, фармацевтическая биохимия, биохимическая экология, биохимическая фармакология и др. Традиционно происходит деление биохимии на структурную, изучающую химическое строение биомолекул; метаболическую, изучающую обмен веществ и энергии, и функциональную биохимию, связанную с изучением взаимосвязи между химическими превращениями веществ в организме и их биологическими функциями. Это деление в значитель­ной степени условно.

Фундаментальная биохимия является основой для многих наук биологи­ческого профиля, таких как генетика, физиология, иммунология, микробиология. Успехи клеточной и генной инженерии в последние годы в значительной мере сблизили биохимию с зоологией и ботаникой. Велико значение биохимии для таких наук, как фармакология и фармация.

Краткий исторический очерк. Как самостоятельная наука биохимия сформировалась на рубеже XIX -XX вв. До середины XIX века биохимия существовала как раздел физиологии и называлась физиологической химией. Однако накопление фактического материала в области строения биологических структур, а также идентификация простейших метаболических процессов сыграли значительную роль в становлении биохимии как самостоятельной науки.

Бурное развитие органической химии в первой трети XIX в. оказало ог­ромное влияние па формирование структурной биохимии. Точкой отсчета можно считать 1828 г., когда Ф. Вёлер сообщил о первом синтезе органического вещества – мочевины из аммиака и циановой кислоты. Спустя семьдесят лет Э. Бухнер показал, что экстракты дрожжевых клеток переваривают крахмал так же эффективно, как и живые дрожжевые клетки. Обе эти работы нанесли существенный удар по витализму – учению, согласно которому химические вещества живой природы синтезируются только с помощью особой жизненной силы, и дали мощный импульс, дальнейшему развитию биохимии. Так, в 50-х гг. XIX в. М. Берно удалось синтезировать целый ряд органических соединений, свойственных живой природе. М. Шеврель заложил основы химии липидов, а Ф. Мишер открыл нуклеиновые кислоты, положив начало изучению этого класса веществ. Однако наибольший вклад в развитие структурной биохимии внес Э. Фишер своими блестящими работами по анализу аминокислот, жиров и липидов.

Исследование процессов метаболизма также началось на рубеже XIX в. На основе открытого М. В. Ломоносовым закона сохранения материи и накопив­шихся к концу XVIII в. экспериментальных данных французский ученый А. Лавуазье количественно исследовал и объяснил сущность дыхания, отметив роль кислорода в этом процессе. Работы А. Лавуазье стимулировали исследова­ния по энергетике метаболизма, и уже в начале XIX в. было определено коли­чество теплоты при сгорании 1 г жиров, белков и углеводов. Примерно в это же время в работах Дж. Пристли и Я. Ингенхуза был открыт процесс фотосинтеза. Из живых объектов К. Шееле выделил ряд органических кислот, Д. Руэлль –мочевину, Ф. Конрад – холестерин.

В XX в. большое число открытий привело к подлинному расцвету биохи­мии. Фундаментальные исследования в области химии белков, липидов, углеводов, идентификация молекулярных механизмов основных обменных процессов, а также структуры и функций генома вывели биохимию на уровень основной количественной биологической науки. Велика роль российских ученых в становлении и развитии биохимии. Приоритетные исследования - белков и аминокислот (А.Я. Данилевский, С. С Салазкин, М.В. Ненцкий и др.); витаминов (П.И. Лунин, К.А. Сосин, В.В. Пашутин); тканевого дыхании (А.Н. Бах); трансаминирования аминокислот (А.Е. Браунштейн); механизмов механохимического сопряжения (В.А. Энгельгардт); химии нуклеиновых кислот и механизмов биосинтеза белка (А. И. Белозерский, А.С. Спирин); биоэнергетики (В.П. Скулачен); структуры и функций генома (Г.П. Георгиев) и работы других российских ученых внесли огромный вклад в современную биохимию).

Успехи современной биохимии. Биологическая химия изучает различные структуры, свойственные живым организмам, и химические реакции, проте­кающие на клеточном и организменном уровнях. Основой жизни является со­вокупность химических реакций, обеспечивающих обмен веществ. Таким об­разом, биохимию можно считать основой всех биологических наук. В настоящее время как биологические структуры, так и обменные процессы благодаря применению эффективных методов изучены достаточно хорошо. Многие разделы биохимии в последние годы развивались столь интенсивно, что выросли в самостоятельные научные направления и дисциплины. Прежде всего можно отметить биотехнологию, генную инженерию, биохимическую генетику, экологическую биохимию, квантовую и космическую биохимию и т. д. Велика роль биохимии в понимании сути патологических процессов и молекулярных механизмов действия лекарственных веществ.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение биохимии.

2. Перечислите основные этапы становления биохимии как науки.

3. К чему привело открытие Ф. Вёлера?

4. Перечислите российских ученых, которые внесли вклад в становление и развитие биохимии.

5. Каковы основные успехи современной биохимии?

2. Химический состав живой материи. Понятие о макро- и микроэлементах. Биологические структуры живых систем

Органические соединения, образующие живую материю, состоят из общих для всех органических соединений элементов – углерода и водорода, в большом числе случаев в них входят также кислород, азот, ряд важных соединений содержит серу и фосфор. Эти же элементы представлены в живой природе и в виде целого ряда неорганических соединений, прежде всего воды, солей аммония, карбонатов, сульфатов, орто- и пирофосфатов, и являются главными биогенными элементами. Вместе с тем функционирование живой материи требует участия целого ряда других элементов, как металлов, так и неметаллов.

В состав живых организмов входят около 70 химических элементов периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Их делят на несколько групп (табл. 1,2)

Таблица 1

Химические элементы в клетках человека [1]

1 группа – объединяет элементы органогены, которые входят в основу построения всех биомолекул – это углерод, кислород, водород, сера, фосфор, хлор и азот.