Развитие и перспективы биохимии

Развитие  и перспективы

биохимии

Биохи́мия — наука  о химическом составе живых клеток  и организмов,  химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности.

Как самостоятельная  наука биохимия сформировалась примерно 100 лет назад, однако биохимические процессы люди использовали ещё в глубокой древности, не подозревая, разумеется, об их истинной сущности. В самые отдалённые времена уже была известна технология таких основанных на биохимических процессах производств, как хлебопечение , сыроварение , виноделие , выделка кож . Необходимость борьбы с болезнями заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, искать объяснения целебным свойствам лекарственных растений . Использование растений в пищу , для изготовления красок  и тканей  также приводило к попыткам понять свойства веществ растительного  происхождения.

Арабский учёный и врач Х века Авиценна  в своей книге «Канон врачебной науки» подробно описал многие лекарственные вещества .

Итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи  на основании своих опытов сделал важный вывод о том, что живой организм способен существовать только в такой атмосфере , в которой может гореть пламя .

XVIII век ознаменовался трудами М. В. Ломоносова. На основе открытого им и французским химиком А. Л. Лавуазье закона сохранения массы веществ и накопленных к концу столетия экспериментальных данных, была объяснена сущность дыхания и исключительная роль в этом процессе кислорода.

Изучение химии  жизни уже в 1827 г. привело к  принятому до сих пор разделению биологических молекул на белки, жиры и углеводы. Автором этой классификации был английский химик и врач Уильям Праут. В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал мочевину: сначала — из циановой кислоты и аммиака(выпариванием раствора образующегося цианата аммония), а позже в этом же году — из углекислого газа и аммиака. Тем самым впервые было доказано, что химические вещества живого организма могут быть синтезированы искусственно, вне организма. Работы Вёлера нанесли первый удар по теориям представителей школы виталистов, предполагавших присутствие во всех органических соединениях некой «жизненной силы».В 1882 году Иван Горбачевский сделал большое научное открытие — впервые в мире осуществил синтез мочевой кислоты из глицина. В дальнейших исследованиях он установил источник и пути её образования в человеческом и животном организмах. В 1885 году ему удалось получить метилмочевую кислоту из метилгидантоина и карбамида. В 1886 году он предложил новый метод синтеза креатина, а в 1889-1891 годах открыл фермент ксантиноксидазу. Иван Горбачевский одним из первых указал, что аминокислоты являются составляющими белков. Его заслугой стало также то, что он предложил новую методику определения вместительности азота в моче и других веществах. Последующими мощными толчками в этом направлении химии явились лабораторные синтезы липидов (в 1854 году — П. Бертло, Франция) и углеводов изформальдегида (1861 — А. М. Бутлеров, Россия). Бутлеровым была также разработана теория строения органических соединений (1861).

Новый толчок развитию биологической химии дали работы по изучению брожения, инициированные Луи Пастером. В 1897 г. Эдуард Бухнер доказал, что ферментация сахара может происходить в присутствии бесклеточного дрожжевого экстракта, и это процесс не столько биологический, сколько химический. На рубеже XIX и XX веков работал немецкий биохимик Э. Фишер. Он сформулировал основные положения пептидной теории строения белков, установил структуру и свойства почти всех входящих в их состав аминокислот. Но лишь в 1926 г. Джеймсу Самнеру удалось получить первый чистый фермент, уреазу, и доказать, что фермент — это белок.

Биохимия стала  первой биологической дисциплиной  с развитым математическим аппаратом  благодаря работам Холдейна, Михаэлиса, Ментен и других биохимиков, создавших ферментативную кинетику, основным законом которой является уравнение Михаэлиса-Ментен.

Открытие ферментов  позволило начать грандиозную работу по полному описанию всех процессов метаболизма, не завершённую до сих пор. Одними из первых значительных находок в этой области стали открытия витаминов, гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

В 1928 г. Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности неопасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок, ануклеиновая кислота. Сама по себе нуклеиновая кислота не опасна, она лишь переносит гены, определяющие патогенность и другие свойства микроорганизма. В1953 году американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик описали структуру ДНК — ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки — молекулярной биологии. 
 

Изменение белков в процессе

кулинарной  обработки

денатурация белков

Это сложный процесс, при котором под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия кислот, щелочей, ультразвука и др.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, т. е. нативной (естественной) пространственной структуры. первичная структура, а следовательно, и химический состав белка не меняются. при кулинарной обработке денатурацию белков чаще всего вызывает нагревание. процесс этот в глобулярных и фибриллярных белках происходит по-разному. в глобулярных белках при нагревании усиливается тепловое движение полипептидных цепей внутри глобулы водородные связи, которые удерживали их в определенном положении, разрываются и полипептидная цепь развертывается, а затем сворачивается по-новому. при этом полярные (заряженные) гидрофильные группы, расположенные на поверхности глобулы и обеспечивающие ее заряд и устойчивость, перемещаются внутрь глобулы, а на поверхность ее выходят реакционноспособные гидрофобные группы (дисульфидные, сульфгидрильные и др.), не способные удерживать воду. денатурация сопровождается изменениями важнейших свойств белка: потерей индивидуальных свойств (например, изменение окраскимяса при его нагревании вследствие денатурации миоглобина); потерей биологической активности (например, в картофеле, грибах, яблоках и ряде других растительных продуктов содержатся ферменты, вызывающие их потемнение, при денатурации белки-ферменты теряют активность); повышением атакуемости пищеварительными ферментами (как правило, подвергнутые тепловой обработке продукты, содержащие белки, перевариваются полнее и легче); потерей способности к гидратации (растворению, набуханию); потерей устойчивости белковых глобул, которая сопровождается их агрегированием (свертыванием, или коагуляцией, белка).

агрегирование - это взаимодействие денатурированных молекул белка, которое сопровождается образованием более крупных частиц. внешне это выражается по-разному в зависимости от концентрации и коллоидного состояния белков в растворе. так, в малоконцентрированных растворах (до 1%) свернувшийся белок образует хлопья (пена на поверхности бульонов). в более концентрированных белковых растворах (например, белки яиц) при денатурации образуется сплошной гель, удерживающий всю воду, содержащуюся в коллоидной системе.

белки, представляющее собой более или менее обводненные  гели (мышечные белки мяса, птицы, рыбы; белки круп, бобовых, муки после гидратации и др.), при денатурации уплотняются, при этом происходит их дегидратация с отделением жидкости в окружающую среду. белковый гель, подвергнутый нагреванию, как правило, имеет меньшие объем, массу, большие механическую прочность и упругость по сравнению с исходным гелем нативных (натуральных) белков. скорость агрегирования золей белка зависит от рн среды. менее устойчивы белки вблизи изоэлектрической точки.

кулинария

для улучшения  качества блюд и кулинарных изделий  широко используют направленное изменение реакции среды. так, при мариновании мяса, птицы, рыбы перед жаркой; добавлении лимонной кислоты или белого сухого вина при припускании рыбы, цыплят; использовании томатного пюре при тушении мяса и др. создают кислую среду со значениями рн значительно ниже изоэлектрической точки белков продукта. благодаря меньшей дегидратации белков изделия получаются более сочными. фибриллярные белки денатурируют иначе: связи, которые удерживали спирали их полипептидных цепей, разрываются, и фибрилла (нить) белка сокращается в длину. так денатурируют белки соединительной ткани мяса и рыбы.

деструкция белков. при длительной тепловой обработке  белки подвергаются более глубоким изменениям, связанным с разрушением  их макромолекул. на первом этапе изменений  от белковых молекул могут отщепляться функциональные группы с образованием таких летучих соединений, как аммиак, сероводород, фосфористый водород, углекислый газ и др. накапливаясь в продукте, они участвуют в образовании вкуса и аромата готовой продукции. при дальнейшей гидротермической обработке белки гидролизуются, при этом первичная (пептидная) связь разрывается с образованием растворимых азотистых веществ небелкового характера (например, переход коллагена в глютин). деструкция белков может быть целенаправленным приемом кулинарной обработки, способствующим интенсификации технологического процесса (использование ферментных препаратов для размягчения мяса, ослабления клейковины теста, получение белковых гидролизатов и др.).

пенообразование. белки в качестве пенообразователей широко используют при производстве кондитерских изделий (тесто бисквитное, белково-взбивное), взбивании сливок, сметаны, яиц и др. устойчивость пены зависит от природы белка, его концентрации, а также температуры.

важны и другие технологические свойства белков. так, их используют в качестве эмульгаторов при производстве белково-жировых эмульсий, как наполнители для различных напитков. напитки, обогащенные белковыми гидролизатами (например, соевыми), обладают низкой калорийностью и могут храниться длительное время даже при высокой температуре без добавления консервантов. белки способны связывать вкусовые и ароматические вещества. этот процесс обусловливается как химической природой этих веществ, так и поверхностными свойствами белковой молекулы, факторами окружающей среды.

при длительном хранении происходит "старение" белков, при этом снижается их способность  к гидратации, удлиняются сроки тепловой обработки, затрудняется разваривание продукта (например, варка бобовых  после длительного хранения). при  нагревании с восстанавливающими сахарами белки образуют меланоидины. 
 
 
 
 
 
 
 

Химическая  природа белков

пищевого  сырья

Белки- это природные  полимеры, состоящие из остатков сотен  и тысяч аминокислот, соединенных  пептидной связью. От набора аминокислот  и их порядка в полипептидных цепях зависят индивидуальные свойства белков. 

По форме молекулы все белки можно разделить  на глобулярные и фибриллярные. Молекула глобулярных белков по форме близка к шару, а фибриллярных имеет форму  волокна. 

По растворимости  все белки делятся на следующие группы:

1. растворимые в воде – альбумины;
2. растворимые в солевых растворах – глобулины;
3. растворимые в спирте – проламины;
4. растворимые в щелочах – глютелины.

По степени  сложности белки делятся на протеины (простые белки), состоящие только из остатков аминокислот, и протеиды (сложные белки), состоящие из белковой и небелковой частей. 

Различают четыре структуры организации белка:

1. первичная – последовательное соединение аминокислотных остатков в полипептидной цепи;
2. вторичная – закручивание полипепидных цепей в спирали;
3. третичная – свертывание полипептидной цепи в глобулу;
4. четвертичная – объединение нескольких частиц с третичной структурой в одну более крупную частицу.

Белки обладают свободными карбоксильными или кислотными, и аминогруппами, в результате чего они амфотерны, т.е. в зависимости от реакции среды проявляют себя как кислоты или как щелочи. В кислой среде белки проявляют щелочные свойства, и частицы их приобретают положительные заряды, в щелочной они ведут себя как кислоты, и частицы их становятся отрицательно заряженными. 

При определенном рН среды(изоэлектрическая точка) число  положительных и отрицательных  зарядов в молекуле белка одинаково. Белки в этой точке электронейтральны, а их вязкость и растворимость  наименьшие. Для большинства белков изоэлектрическая точка лежит в слабокислой среде. 

Наиболее важными  технологическими свойствами белков являются: гидратация (набухание в воде), денатурация, способность образовывать пены, деструкция и др. 
 
 
 
 

Клетка - структурная единица

живого организма.

Нуклеиновые кислоты.

Органические вещества и их роль в клетке

АТФ и ее роль в клетке

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоро-пластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (Л ТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, избавляется от отходов, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек и т. д.

Молекула  АТФ представляет собой нуклеотид, образованный азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибо-зой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТф соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями (в формуле обозначены символом ~):

Связи между  фосфатными группами не очень прочные, и при их разрыве выделяется большое  количество энергии. В результате гидролитического отщепления от АТФ фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) н высвобождается порция энергии:

АДФ также может  подвергаться дальнейшему гидролизу  с отщеплением еще одной фосфатной группы и выделением второй порции энергии; при этом АДФ преобразуется в аденозин-монофосфат (АМФ), который далее не гидролизуется:

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорили-рованием. При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях:

Следовательно, основное значение процессов дыхания  и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для  синтеза АТФ, с участием которой  в клетке выполняется большая часть работы.

Таким образом, АТФ — это главный универсальный поставщик энергии в клетках всех живых организмов.

АТФ чрезвычайно  быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и  вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

Белки

Аминокислоты  — структурные компоненты белков.Белки, или протеины (греч. protos — первостепенный), — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Аминокислоты  представляют собой низкомолекулярные  органические соединения, содержащие карбоксильную (-СООН) и аминную (-NH₂) группы, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. К атому углерода присоединяется боковая цепь — какой-либо радикал, придающий каждой аминокислоте определенные свойства. Общая формула аминокислот имеет вид:

У большей части  аминокислот имеется одна карбоксильная  группа и одна аминогруппа; эти аминокислоты называются нейтральными. Существуют, однако, и основные аминокислоты — с более чем одной аминогруппой, а также кислые аминокислоты — с более чем одной карбоксильной группой.

Известно около 200 аминокислот, встречающихся в  живых организмах, однако только 20 из них входят в состав белков. Это  так называемые основные, или белокобразующие (протеиногенные), аминокислоты.

В зависимости  от вида радикала основные аминокислоты делят на три группы: 1) неполярные (аланин, метионин, валин, про-лин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин); 2) полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серии, глицин, тирозин, треонин, цистеин); 3) полярные заряженные (аргинин, гистидин, лизин — положительно; аспарагиновая и глутаминовая кислоты — отрицательно).

Боковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными или  гидрофильными, что придает белкам соответствующие свойства, которые проявляются при образовании вторичной, третичной и четвертичной структур белка.

У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд протеиногенных аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин; атакже аргинин и гистидин — незаменимые для детей,

В растворе аминокислоты могут выступать в роли как  кислот, так и оснований, т. е. они  являются амфотерными соединениями. Карбоксильная группа -СООН способна отдавать протон, функционируя как  кислота, а аминная - NH2 — принимать протон, проявляя таким образом свойства основания.

Пептиды. Аминогруппа  одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной  группой другой аминокислоты.

Образующаяся  при этом молекула представляет собой  дипептид, а связь -CO-NH- называется пептидной связью:

На одном конце  молекулы дипептида находится свободная  аминогруппа, а на другом — свободная  карбоксильная группа. Благодаря  этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется много аминокислот (более десяти), то получается полипептид.

Пептиды играют важную роль в организме. Многие олиго- и полипептиды являются гормонами, антибиотиками, токсинами.

К олигопептидам  относятся окситоцин, вазопрессин, тиреотропин, а также брадикинин (пептид боли) и некоторые опиаты («естественные наркотики» человека), выполняющие функцию обезболивания. Принятие наркотиков разрушает опиатную систему организма, поэтому наркоман без дозы наркотиков испытывает сильную боль — «ломку», которая в норме снимается опиатами. К олигопептидам относятся и некоторые антибиотики (например, грамицидин S).

Многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон и др,), антибиотики (например, грамицидин А), токсины (например, дифтерийный токсин) являются полипептидами.

Белки представляют собой полипептиды, в молекулу которых  входит от пятидесяти до нескольких тысяч  аминокислот с относительной  молекулярной массой свыше 10 000.

Структура белков. Каждому белку в определенной среде свойственна особая пространственная структура. При характеристике пространственной (трехмерной) структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков (рис. 1,1).

Рис. 1.1. Уровни структурной организации белка: а — первичная структура — аминокислотная последовательность белкарибонуклеазы (124 аминокислотных звена); б — вторичная структура — пояипептидная цепь закручена в виде спирали; в — третичная структура белка миоглобина; г — четвертичная структура гемоглобина.

Первичная структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Такая структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией, т. е. зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков. Замена одной-единственной аминокислоты в составе молекул белка или нарушение порядка в их расположении обычно влечет за собой изменение функции белка.

Учитывая, что  в состав белков входит 20 видов аминокислот, число вариантов их комбинаций в  полипептидной цепи поистине безгранично, что обеспечивает огромное количество видов белков в живых клетках. Например, в организме человека обнаружено более 10 тыс. различных белков, и все они построены из одних и тех же 20 основных аминокислот.

В живых клетках  молекулы белков или отдельные их участки представляют собой не вытянутую  цепь, а скручены в спираль, напоминающую растянутую пружину (это так называемая а-спираль), или сложены в складчатый слой (р-слой). Такие а-спирали и р-слои являются вторичной структурой. Она возникает в результате образования водородных связей внутри одной полипептидной цепи (спиральная конфигурация) или между двумя полипептидными цепями (складчатые слои).

Полностью a-спиральную конфигурацию имеет белок кератин. Это структурный белок волос, ногтей, когтей, клюва, перьев и рогов; он входит в состав наружного слоя кожи позвоночных.

У большинства  белков спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи складываются в трехмерное образование шаровидной формы — глобулу (характерна для глобулярных белков). Глобула определенной конфигурации является третичной структурой белка. Такая структура стабилизируется ионными, водородными, ковалентными дисульфидными связями (образуются между атомами серы, входящими в состав цистеи-на, цистина и мегионина), а также гидрофобными взаимодействиями. Наиболее важными в возникновении третичной структуры являются гидрофобные взаимодействия; белок при этом свертывается таким образом, что его гидрофобные боковые цепи скрыты внутри молекулы, т. е. защищены от соприкосновения с водой, а гидрофильные боковые цепи, наоборот, выставлены наружу.

Многие белки  с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей (субъединиц), образуя четвертичную структуру белковой молекулы. Такая структура имеется, например, у глобулярного белка гемоглобина. Его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных субъединиц (протомеров), находящихся в третичной структуре, и небелковой части — гема.

Только в такой  структуре гемоглобин способен выполнять  свою транспортную функцию.

Под влиянием различных  химических и физических факторов (обработка  спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т. д.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белка вследствие разрыва водородных и ионных связей. Процесс нарушения нативной (естественной) структуры белка называется денатурацией. При этом наблюдается уменьшение растворимости белка, изменение формы и размеров молекул, потеря ферментативной активности и т. д. Процесс денатурации может быть полным или частичным. В некоторых случаях переход к нормальным условиям среды сопровождается самопроизвольным восстановлением естественной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией.

Простые и сложные  белки. По химическому составу выделяют белки простые и сложные. К простьм относятся белки, состоящие только из аминокислот, а к сложный — белки, содержащие белковую часть и небелковую (простетическую); простетическую группу могут образовывать ионы металлов, остаток фосфорной кислоты, углеводы, липиды и др. Простыми белками являются сывороточный альбумин крови, фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. К сложным белкам относятся все протеолипиды и гликопротеины; сложными белками являются, например, иммуноглобулины (антитела), гемоглобин, большинство ферментов и т. д.

Функции белков.

1. Структурная. Белки входят в состав клеточных мембран и матрикса органелл клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия, волосы, ногти, когти у высших животных состоят преимущественно из белков.
2. Каталитическая (ферментативная). Белки-ферменты катализируют протекание всех химических реакций в организме. Они обеспечивают расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фиксацию углерода при фотосинтезе и т. д.
3. Транспортная. Некоторые белки способны присоединять и переносить различные вещества. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины -— ионы металлов и гормоны, гемоглобин — кислород и углекислый газ. Молекулы белков, входящие в состав плазматической мембраны, принимают участие в транспортировке веществ в клетку.
4. Защитная. Ее выполняют иммуноглобулины (антитела) крови, обеспечивающие иммунную защиту организма. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови и предотвращают кровотечение.
5. Сократительная. Благодаря скольжению относительно друг друга актиновых и миозиновых протофибрилл происходит сокращение мышц, а также немышечные внутриклеточные сокращения. Движение ресничек и жгутиков связано со скольжением относительно друг друга микротрубочек, имеющих белковую природу.
6. Регуляторная. Многие гормоны являются олигопептидами или бедками (например, инсулин, глюкагон [антагонист инсулина], адренокортикотропный гормон и др.).
7. Рецепторная. Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, способны изменять свою структуру под воздействием внешней среды. Так происходит прием сигналов извне и передача информации в клетку. Примером может служить фито-хром —- светочувствительный белок, регулирующий фотопериодическую реакцию растений, и опсин — составная часть родопсина, пигмента, находящегося в клетках сетчатки глаза.
8. Энергетическая. Белки могут служить источником энергии в клетке (после их гидролиза). Обычно белки расходуются на энергетические нужды в крайних случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров.