Ответы БХ. Предмет, разделы и задачи биологической химии. Вклад русских и зарубежных учёных в развитие биологической химии
 Скачать 329.13 Kb.
|
|
Ответы на вопросы экзамена по БХ
Биохимия – наука изучающая строение живых организмов, всю совокупность превращения веществ в организме и процессы лежащие в основе жизнедеятельности. Разделы биохимии:
Биохимия обязана своему становлению многим смежным наукам и по-прежнему сохраняет с ними тесную связь в изучении живой природы. Вместе с тем, она остается оригинальной и самостоятельной наукой, задачей которой является исследование взаимосвязи строения веществ и их функций, превращения химических соединений в живом организме, способа преобразования энергии в живых системах, механизмов регуляции химических превращений и физико-химических процессов в клетках, тканях и органах, молекулярных механизмов переноса генетической информации в живых организмах и т.д. Вклад учёных в развитие БХ: Французский ученый А. Лавуазье количественно исследовал и объяснил сущность дыхания, указав на роль кислорода в этом процессе. Немецкий химик Ю. Либих в 30-40 годы 19 века успешно развил методы количественного химического анализа и применил их к исследованию биологических систем. Русский химик А. М. Бутлеров создал теорию строения органических соединений (1861). Он в своей теории утверждал, что атомы и молекулы существуют в определенных реальных взаимоотношениях, количественных и пространственных, которые и выражаются формулами. Он указывал также, что химические свойства веществ обусловлены их строением. Французский физиолог К. Бернар выделил из печени гликоген и показал, что он превращается в глюкозу, поступающую в кровоток. В 1868 г. Ф. Мишер в лаборатории немецкого физиолога и биохимика Ф. Гоппе-Зейлера открыл ДНК. К этому времени относятся работы одного из основоположников отечественной биохимии А. Я. Данилевского (1838-1923). Исследуя строение белков, он сформулировал ряд положений, которые в дальнейшем легли в основу полипептидной теории структуры беков. А.Я. Данилевским впервые высказана идея об обратимости действия ферментов и на основании этого осуществлен ферментативный синтез белковоподобных веществ (пластеины). Он разработал оригинальную методику разделения и очистки ферментов путем адсорбции и элюции (десорбции), которую широко используют и в наши дни. А.Я. Данилевский возглавил в Казанском университете первую в России кафедру биохимии и создал первую русскую школу биохимиков. Большие заслуги в развитии отечественной биохимии принадлежат М.В. Ненцкому (1847-1901). В 1891 г. он создал первую в России биохимическую лабораторию при Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Им был выполнен ряд выдающихся исследований: совместно с сотрудниками впервые были установлены основные этапы биосинтеза мочевины, также впервые подробно исследовано строение гемоглобина и сделано сопоставление в эволюционном плане со структурой хлорофилла. В 1905 г. А. Гарден и В. Ионг выделили первый кофермент спиртового брожения – «озимазу», называемый в наше время НАД. В этом же году Ф. Кнооп открыл и исследовал окисление жирных кислот. К 20-30-м годам относятся блестящие работы немецкого биохимика О. Варбурга по выделению и изучению дыхательных ферментов (цитохромоксидаза, флавиновые дегидрогеназы и др.), выделению пиридиновых нуклеотидов, изучению их структуры и функции. В 1933 г. Г. Кребс подробно изучил орнитиновый цикл образования мочевины, а 1937 г. датируется открытие им же цикла трикарбоновых кислот.
Биологически важные элементы:
Строительные блоки молекул: Мономеры кислот => Мономеры сахаров => моносахара Мономеры липидов => глицерин и 3 жирные кислоты Нуклеопротеиды => нуклеотиды => азотистое основание, дизоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.
Молекула воды (Н2О) - полярное соединение, в котором электрофильный атом кислорода притягивает спаренные электроны от атомов водорода, приобретая частичный отрицательный заряд, в то время как атомы водорода приобретают частично положительные заряды. Химически чистая вода - это прозрачная жидкость без запаха и вкуса. Молекула воды содержит 11,19% водорода и 88,81% кислорода. Молекулярная масса воды составляет 18,016, температура замерзания - 0°С, температура кипения +100°С, плотность воды при 4°C -1 г/см3. Вода - отличный растворитель многих органических и минеральных веществ, что связано со структурой ее молекулы. Для воды характерна водородная связь, определяющая в значительной степени ее свойства и значение. Водородные связи возникают между частичным отрицательным зарядом атома кислорода одной молекулы воды и частичным положительным зарядом атома водорода соседней. Концентрацию ионов водорода в биологических системах выражают через водородный показатель – pH. Различают пресную, солоноватую и соленую воду. Вода содержит неорганические ионы, примеси органических веществ. Уникальные свойства воды объясняются способностью её молекул образовывать межмолекулярные ассоциаты за счёт водородных связей и ориентационных, индукционных и дисперсионных взаимодействий (силы Ван-дер-Ваальса). Молекулы воды образовывают как ассоциаты (не имеющие упорядоченной структуры), так и кластеры (имеющие структуру). Кластер — объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами. В жидком виде связи соседних молекул воды образуют непостоянные и быстротечные структуры. В замёрзшем виде каждая молекула льда жёстко связана с четырьмя другими. Состояния и виды воды в организме. Содержащуюся в организме воду условно разделяют на свободную и иммобилизованную. Свободная вода содержится в плазме крови, лимфе, спинномозговой жидкости, пищеварительных соках, моче. В межклеточных пространствах ее сравнительно мало, и она удерживается там капиллярными силами. Свободная вода обеспечивает приток к тканям питательных веществ и удаление из них конечных продуктов обмена. Иммобилизованная вода бывает двух видов: гидратационная и иммобильная. В отличие от свободной она лишена способности к свободному перемещению, причем меньшая ее часть прочно связана с полярными группами белков и других биополимеров (гидратационная вода). Другая часть иммобилизованной воды (иммобильная), хотя и не связана полярными группами, лишена способности к свободному перемещению, так как она заключена в надмолекулярных клеточных структурах (мембраны, органеллы, фибриллярные агрегаты). Биологическое значение воды. Вода в организме выполняет ряд жизненно важных функций. Прежде всего, она является универсальным растворителем минеральных и органических веществ, входящих в корма, и продуктов обмена веществ. Вода - пластический материал, из которого построены органы, ткани и клетки. Множественные функции воды определяются ее физико-химическими свойствами. Молекулы воды, как диполи, ассоциированы между собой при помощи водородных связей. На разрыв этих связей затрачивается значительное количество энергии, что придает воде высокую теплоемкость (у воды она в 4 раза выше, чем у воздуха, являющегося «внешней средой» обитания большинства высших животных). Благодаря этому вода играет важную роль в процессах терморегуляции организмов. Около 25% избытка тепловой энергии выделяется из организма в результате испарения воды с поверхности кожи. Приблизительно столько же тепла выделяется из организма с парами выдыхаемого воздуха. Молекулы воды участвуют в создании вторичной и третичной структуры молекул белков. Все питательные вещества корма усваиваются в пищевом канале с участием воды (реакции гидролиза). Для воды характерна очень низкая вязкость, что придает водным растворам хорошую текучесть и быстрое перемещение жидкостей в организме. Вода и ее растворы смачивают трущиеся поверхности, способствуя улучшению их скольжения.
Функции воды в организме. Тело человека в среднем на 75 % состоит из воды. Это соотношение с возрастом изменяется, к сожалению, в сторону уменьшения. Вода, будучи основной составляющей всех жидкостей организма, в частности крови, в которой более 90 % содержится именно ее, выполняет следующие основные функции:
Виды воды. Ткани и клетки используют два вида воды: экзо- и эндогенную. Экзогенная вода поступает в организм извне - с кормом и питьем. В общей массе она составляет 6/7 всей воды, необходимой для жизни организма. 1/7 общей массы воды образуется в тканях животного как конечный продукт окисления нуклеиновых кислот, белков, липидов, углеводов. Это эндогенная вода. Установлено, что при полном окислении 100 г жиров организм получает 107,1 г воды, углеводов - 55,6 и белков — 41,3 г воды.
Различают растительные жиры, имеющие при комнатной температуре жидкую консистенцию, и животные — твердую. Функции липидов:
При расщеплении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии.
Моносахариды, или простые углеводы, которые в зависимости от содержания атомов углерода имеют названия триозы, пентозы, гексозы и т. д. Пентозы — рибоза и дезоксирибоза — входят в состав ДНК и РНК. Гексоза – глюкоза — служит основным источником энергии в клетке. Полисахариды — полимеры, мономерами которых служат моносахариды гексозы. Наиболее известными из дисахаридов (два мономера) являются сахароза и лактоза. Важнейшими полисахаридами являются крахмал и гликоген, служащие запасными веществами клеток растений и животных, а также целлюлоза — важнейший структурный компонент растительных клеток. Растения обладают большим разнообразием углеводов, чем животные, так как способны синтезировать их на свету в процессе фотосинтеза. Важнейшие функции углеводов в клетке: энергетическая, структурная и запасающая. Энергетическая роль состоит в том, что углеводы служат источником энергии в растительных и животных клетках; структурная — клеточная стенка у растений почти полностью состоит из полисахарида целлюлозы; запасающая — крахмал служит запасным продуктом растений. Он накапливается в процессе фотосинтеза в вегетационный период и у ряда растений откладывается в клубнях, луковицах и т. д. В животных клетках эту роль выполняет гликоген, откладывающийся преимущественно в печени. При расщеплении 1 г вещества выделяется 17,6 кДж энергии.
Белки выполняют в организме много разнообразных функций: строительную (входят в состав различных структурных образований); защитную (специальные белки — антитела — способны связывать и обезвреживать микроорганизмы и чужеродные белки) и др. Кроме этого, белки участвуют в свертывании крови, предотвращая сильные кровотечения, выполняют регуляторную, сигнальную, двигательную, энергетическую, транспортную функции (перенесение некоторых веществ в организме).
Одни молекулы ферментов могут состоять только из белка (например, пепсин) — однокомпонентные, или простые; другие содержат два компонента: белок (апофермент) и небольшую органическую молекулу — кофермент. Установлено, что в качестве коферментов в клетке функционируют витамины. Если учесть, что ни одна реакция в клетке не может осуществляться без участия ферментов, становится очевидным то важнейшее значение, которое имеют витамины для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Отсутствие витаминов снижает активность тех ферментов, в состав которых они входят.
Суточная потребность человека в витаминах составляет миллиграммы, и даже микрограммы. Известно более 20 различных витаминов. Источником витаминов для человека являются продукты питания, в основном растительного происхождения, в некоторых случаях — и животного (витамин D, A). Некоторые витамины синтезируются в организме человека.
Характерными особенностями гормонов являются:
Существует 2 типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая кислота). АТФ — аденозинтрифосфорная кислота, нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты. Структура неустойчива, под влиянием ферментов переходит в АДФ – аденозиндифосфорную кислоту (отщепляется одна молекула фосфорной кислоты) с выделением 40 кДж энергии. АТФ — единый источник энергии для всех клеточных реакций. Особенности химического строения нуклеиновых кислот обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этане индивидуального развития. Нуклеиновые кислоты обеспечивают устойчивое сохранение наследственной информации и контролируют образование соответствующих им белков-ферментов, а белки-ферменты определяют основные особенности обмена веществ клетки.
Энергетический обмен. Все процессы, происходящие в организме, можно разбить на 3 группы: пластические, энергетические, информационные. Использование химической энергии в организме называют энергетическим обменом. В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. За счет освобождающейся в организме энергии поддерживается определенная постоянная температура тела и совершается внешняя работа. Наиболее емким потреблением энергии в организме можно считать процесс движения, а также сердечную деятельность, дыхание, перистальтику кишечника и др. За счет окислительных процессов в сердечной мышце освобождается энергия, которая используется для сокращения миокарда, которая передается крови что, позволяет ей двигаться по сосудам. Каждая живая клетка нашего организма нуждается в поступлении определенного количества энергии, которая необходима для поддержания нормальной структуры (15% – ФТФ), уровня функциональной готовности (50% – АТФ) и активности (100% – АТФ), а также для выполнения специфических функций. |