Биохимия. Вопрос 1 Предмет и задачи биохимии

• Название: Вопрос 1 Предмет и задачи биохимии
• Дата: 27.10.2020
• Размер: 41.73 Kb.
• Имя файла: Биохимия.docx
• Тип: Документы; #146057

Вопрос 1

Предмет и задачи биохимии

Биохимия — это наука, которая изучает химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов; их превращения и связь этих превращений с деятельностью клеток, тканей, органов и организма в целом.

Задачи биохимии:

1. Изучение состава организма и продуктов его обмена

2. Выяснение функций различных органов и тканей

3. Выяснение сущность химических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма.

4. Выяснение и изучение механизмов высвобождения, накопления и использования энергии в организме.

5. Изучение механизмов образования и выведения конечных продуктов распада веществ.

6. Изучение механизмов воспроизведения и передачи наследственных признаков организма.

Вопрос 3

Строение белков

Белки — высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков α-аминокислот.

В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.

Белки обладают большой молекулярной массой: яичный альбумин — 36 000, гемоглобин — 152 000, миозин — 500 000. Для сравнения: молекулярная масса спирта — 46, уксусной кислоты — 60, бензола — 78.

Аминокислотный состав белков

Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты — могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты — не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными — содержат весь набор аминокислот; неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми. Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными. Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).



Все аминокислоты содержат: 1) карбоксильную группу (–СООН), 2) аминогруппу (–NH₂), 3) радикал или R-группу (остальная часть молекулы). Строение радикала у разных видов аминокислот — различное. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты, имеющие более одной аминогруппы; кислые аминокислоты, имеющие более одной карбоксильной группы.

Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах.

Вопрос 7

Считается, что взрослому человеку, работа которого не предполагает серьёзной физической нагрузки, необходим 1 г белка на 1 кг массы тела в сутки. При заболеваниях почек, сопровождающихся нарушением их функции, норма потребления белка снижается до 0,6‑0,8 г на кг массы тела в сутки. У профессиональных спортсменов норма потребления белка выше — 1,3-1,6 г на кг массы тела в сутки и даже больше, в зависимости от вида спорта и спортивного периода.

Рекомендуемая суточная норма потребления — усреднённое, расчётное количество потребления в пищу различных веществ живым существом в сутки, необходимое для поддержания нормального (здорового) состояния организма. Реже термин может употребляться для указания норм потребления непищевых веществ, например, воды и воздуха. Термин используется в медицине (диетологии), валеологии, ветеринарии.

В качестве периода используются сутки, так как большинство веществ рекомендуется употреблять регулярно и непрерывно. Суточное потребление — это гарантия непрерывного получения организмом необходимых веществ. Но некоторые вещества допускается употреблять с большей периодичностью, делая перерывы.

В пищевой промышленности для указания норм потребления пищевых продуктов, а не отдельных веществ, используется термин «адекватная дневная норма потребления» или просто «норма потребления».

В Российской Федерации рекомендуемые нормы утверждены РПН в «Методических рекомендациях 2.3.1.2432-08. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации.»

Вопрос 10

Строение ферментов

По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные (двукомпонентные). Простой состоит только из белковой части, сложный (холофермент) – из белковой и небелковой частей. Белковая часть – апофермент, небелковая – кофермент (витамины В1, В2, В5, В6, Н, Q и др.). Отдельно апофермент и кофермент не обладают каталитической активностью. Участок на поверхности молекулы фермента, который взаимодействует с молекулой субстрата – активный центр.

Активный центр образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных сближенных полипептидных цепей. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента. В его пределах различают субстратный (адсорбционный) центр и каталитический центр. Кроме активного центра встречаются особые функциональные участки – аллостерические (регуляторные) центры.

Каталитический центр - это область активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. КЦ простых ферментов – это сочетание нескольких аминокислотных остатков, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи (серин, цистеин, тирозин, гистидин, аргинин, асп. и глут. кислоты). КЦ сложного белка устроен сложнее, т.к. участвует простетическая группа фермента – кофермент (водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K).

Субстратный (адсорбционный) центр - это участок активного центра фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. СЦ формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная функция СЦ - связывание молекулы субстрата и ее передача каталитическому центру в наиболее удобном для него положении.

Аллостерический центр ("имеющий иную пространственную структуру") - участок молекулы фермента вне его активного центра, который обратимо связывается с каким-либо веществом. Такое связывание приводит к изменению конформации молекулы фермента и его активности. Активный центр либо начинает работать быстрее, либо медленнее. Соответственно такие вещества называют аллостерическими активаторами либо аллостерическими ингибиторами.

Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у ферментов, работа которых изменяется под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ.

Вопрос 23

Вода как основа биологических процессов в клетке

Со школы все знают, какова роль воды в клетках и что человеческий организм не способен существовать без нее. При потере 3% влаги начинается жажда, а при 20% происходит отмирание тканей. Она необходима каждой частице организма. Взрослым и детям будет интересно узнать, в каких клетках человека содержится больше всего воды и что произойдет при дефиците. + Клетка содержит от 40 до 98% воды, необходимой для работы систем. С биологической точки зрения есть 2 основных функции воды в клетках: транспортная и метаболическая. Первый термин означает «доставку» необходимых организму веществ с помощью влаги и выведение продуктов жизнедеятельности. Вторым называют биологические процессы, например, фотосинтез и гидролиз макромолекул. Вода является донором для электронов при фотосинтезе, во время которого происходит фотолиз воды в клетках под названием хлоропласты. Вещество бывает в свободной и связанной формах:

• 
  Свободная форма отвечает за транспортировку жидкости из внешней среды в ткани и наоборот. Она является растворителем, ведь поступление воды в растительные клетки происходит в процессе осмоса. Находится она практически во всех тканях организма: внутренних органах, сосудистой сетке, вакуолях, межклеточном пространстве.
  
• 
  Связанная форма нужна для образования соединений с определенными белками. Такой жидкости может быть не более 4% от общей массы частицы. Обнаружить ее удастся между волокнами, мембранами и молекулами белка.
  

Жидкость необходима человеку намного сильнее, чем еда. Без пищи он проживет 3-3,5 недели, а без воды — всего 5-6 дней. Однако смерть в пустыне наступает уже через сутки. Значительную часть содержимого клеток составляет вода в свободной форме — до 95%.

Если говорить коротко о том, какова биологическая роль воды в клетках, то это обеспечение упругости и транспорта веществ, а также ускорение химических реакций. Жидкость запускает множество процессов в организме. Она растворяет вещества, которые поступают извне, а затем выводит их в отработанном виде. Помимо всего внутри происходят реакции, без участия влаги эти процессы иногда невозможны. Почему считается, что вода является идеальной жидкостью для клетки можно узнать, изучив ее функции:

• 
  осуществление гидролиза белков, жиров и углеводов, что необходимо для высвобождения энергии;
  
• 
  терморегуляция, ведь вещество обладает высоким показателем теплопроводности и теплоемкости;
  
• 
  доставка веществ (транспорт), например, выведение продуктов жизнедеятельности в виде молекул жидкости;
  
• 
  обеспечение нормальной работы клеточной структуры, поддержание ее структуры и давления внутри клетки.
  

Многих интересует какую долю в среднем составляет в клетках вода, но на этот вопрос трудно ответить. В составе большинства видов тканей она занимает первое место (исключением являются кости и зубная эмаль). Например, ее содержание в жировой ткани доходит до 99%, в мышцах — 65%, в костях — до 22%, а в крови — более 80%. Даже в зубной эмали есть жидкость, но всего около 0,2% влаги. Средним показателем считают 80%.

Снижение показателей даже на несколько процентов приводит к серьезным нарушениям, поэтому необходимость воды и ее роль в жизнедеятельности клеток — очевидна. Наиболее популярным считают недостаток влаги в крови, что в скором времени приведет к ее загустению. В результате возникает ломкость сосудов, образование тромбов и кровоизлияния во внутренние органы. Вода в клетке напрямую определяет физические свойства: чем влаги больше, тем выше будет ее упругость и объем.

Содержание воды зависит от возраста организма и скорости метаболизма. У эмбрионов оно до 90%, но на протяжении всей жизни снижается, что объясняет ухудшение здоровья в пожилом возрасте. Влага выступает в роли смазки, защищая поверхности от истирания (суставы и хрящи).

О роли воды в жизни клеток должен знать каждый, ведь жидкость необходима любому организма. Она обеспечивает работу всех тканей и систем, химических и биологических процессов

Вопрос 33

Обмен энергии в организме человека

Источником энергии в организме служат продукты гидролиза углеводов, жиров и белков, поступающие в организм. Освобожде­ние же энергии в организме происходит в процессе диссимиляции (катаболизма), т. е. распада клеточных структур и соединений ор­ганизма, которые синтезируются из питательных веществ, посту­пающих в кровь в результате пищеварения (гидролиза) пищевых продуктов и всасывания продуктов гидролиза в кровь. Различают основной и рабочий обмен.

А. Основным обменом называют минимальный расход энер­гии, обеспечивающий гомеостазис в стандартных условиях: при бодр­ствовании, максимальном мышечном и эмоциональном покое, нато-

щак (12 -16 ч без еды), при температуре комфорта (18° - 20°С). Основной обмен определяют в указанных стандартных условиях по­тому, что физическая нагрузка, эмоциональное напряжение, прием пищи и изменение температуры окружающей среды увеличивают интенсивность метаболических процессов в организме (расход энер­гии). Энергия основного обмена в организме расходуется на обеспе­чение жизнедеятельности всех органов и тканей организма, клеточ­ный синтез, на поддержание температуры тела.

На величину должного (среднестатистического) основно­го обмена здорового человека влияют следующие факторы: пол, воз-. раст, рост и масса тела (вес). На величину истинного (реального) основного обмена здорового человека влияют также условия жизне­деятельности, к которым организм адаптирован: постоянное про­живание в холодной климатической зоне увеличивает основной обмен; длительное вегетарианское питание уменьшает. Величину должного основного обмена у человека определяют по табли­цам, формулам, номограммам.

Для определения величины истинного основного обмена у человека используют метод Крога (неполный газовый анализ, см. раздел 12.3).

Величина основного обмена в сутки у мужчин составляет 1500 -ъ 1700ккал (6300- 7140 кДж); в расчете на 1 кг массы в сутки равна 21-24 ккал (88 - 101 кДж). У женщин эти показатели примерно на 10% меньше.

Показатели основного обмена при расчете на 1м² поверхности тела у теплокровных животных разных видов и человека примерно равны, при расчете на 1 кг массы сильно отличаются: чем мельче организм, тем больше расход энергии.

Б. Рабочим обменом называют совокупность основного обме­на и дополнительного расхода энергии, обеспечивающего жизне­деятельность организма в различных условиях. Факторами, повы­шающими расход энергии организмом, являются: физическая и умственная нагрузка, эмоциональное напряжение, изменение тем­пературы и других условий окружающей среды, специфическиди-намическое действие пищи (увеличение расхода энергии после приема пищи). При этом изменение температуры в интервале 15 -30°С существенно не сказывается на энергозатратах организма. При температуре ниже 15°С, а также выше 30°С расход энергии увели­чивается. Повышение обмена веществ при температуре окружаю­щей среды ниже 15° предотвращает охлаждение организма.

Расход энергии организмом после приема белковой и смешан­ной пищи увеличивается на 20 - 30%, после приема жиров и угле­водов увеличивается на 10- 12%.

Часть тепловой энергии, вырабатываемой организмом в процес­се его жизнедеятельности, обеспечивает механическую работу. Для определения эффективности этого преобразования вводится поня­тие коэффициент полезного действия организма при мышечной работе - это выраженное в процентах отношение энергии, эквива­лентной полезной механической работе, ко всей энергии, затрачен­ной на выполнение этой работы. Коэффициент полезного действия (КПД) у человека при мышечной работе рассчитывают по формуле: КПД = -—-100%, где А - энергия, эквивалентная полезной работе, С - общий расход энергии, е - расход энергии за такой же промежуток времени в состоянии покоя. КПД равен 20%.



В. Потребность организма в энергии (ккал в сутки) опреде­ляется видом трудовой деятельности.

Г. Исследование прихода энергии в организм. Основными методами определения количества энергии в навеске продукта яв­ляются: физическая калориметрия; физико-химические методики определения количества белков, жиров и углеводов в навеске с по­следующим расчетом содержащихся в них энергий по таблицам.

Сущность способа физической калориметрии заключается в следующем: в калориметре сжигают навеску продукта, а затем по степени нагревания воды и материала калориметра рассчитывают выделившуюся энергию. Количество тепла, выделившегося при сго­рании продукта в калориметре, рассчитывают по формуле: где О. - количество тепла, М - масса (в - воды, к - калориметра), (1₂^_ ^) разность температур воды и калориметра после и до сжи­гания навески, С - удельная теплоемкость, 0 - количество теп­ла, образуемое окислителем.

Количество тепла, освобождаемое при сгорании 1 г вещества в калориметре, называют физическим калорическим коэффици­ентом, при окислении 1 г вещества в организме - физиологиче­ским калорическим коэффициентом. Основанием для расчета прихода энергии в организм по количеству усвоенных белков, жи­ров и углеводов является закон термодинамики Гесса, который гла­сит: термодинамический эффект зависит только от теплосодержа­ния начальных и конечных продуктов реакции и не зависит от промежуточных превращений этих веществ. При окислении в ор­ганизме 1 г белков освобождается 4, 1 ккал(17, 2кДж), 1 г жиров -9, 3 ккал (38, 9 кДж), 1 г углеводов - 4, 1 ккал (17, 2 кДж). При сгорании в калориметре жиров и углеводов выделяется столько же тепла, сколько в организме. При сгорании белка в калориметре энер­гии выделяется несколько больше, чем в организме, так как часть энергии белка при окислении в организме теряется с мочевиной и другими веществами белкового обмена, которые содержат энергию и выводятся с мочой.

Чтобы рассчитать приход энергии в организм с пищей, химическим путем определяют содержание белков, жиров и углеводов в продуктах питания, умножают их количество на соот­ветствующие физиологические калорические коэффициенты, сум­мируют и из суммы вычитают 10% - что не усваивается в пищева­рительном тракте(потери с калом).

Д. Расход энергии организмом определяют с помощью пря­мой и непрямой калориметрии. Основными из этих методов явля­ются следующие: прямая калориметрия - метод Этуотера - Бене­дикта; непрямая, или косвенная, калориметрия - методы Крога, Шатерникова, Дугласа - Холдена.

Принцип прямой калориметрии основан на непосредственном измерении количества тепла, выделенного организмом.

Принцип работы и устройство камеры Этуотера - Бене­дикта. Камера, в которую помещают испытуемого, термически изо­лирована от окружающей среды, ее стенки не поглощают теп­ло, внутри них находятся радиаторы, через которые течет вода. По степени нагрева определенной массы воды рассчитывают количе­ство тепла, израсходованного организмом.

Принцип непрямой (косвенной) калориметрии основан на расчете количества выделившейся энергии по данным газообмена (поглощенный 0₂ и выделившийся С0₂ за,сутки). Количество вы­деляемой организмом энергии можно рассчитать по показателям газообмена потому, что количество потребленного организмом 0₂ и выделенного С0₂ точно соответствует количеству окисленных белков, жиров и углеводов, а значит, и израсходованной организ­мом энергии. Для расчета расхода энергии методом непрямой ка­лориметрии используются дыхательный коэффициент и калориче­ский эквивалент кислорода.

Дыхательным коэффициентом называют отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему потребленно­го за это же время кислорода. Величина дыхательного коэффици­ента зависит от соотношения белков, жиров и углеводов, окисляю­щихся в организме. Дыхательный коэффициент при окислении в организме белков равен 0,8, жиров - 0,7, углеводов -1,0. Дыха­тельный коэффициент для жиров и белков ниже, чем для углево­дов, вследствие того, что на окисление белков и жиров расходует­ся больше 0₂, так как они содержат меньше внутримолекулярного кислорода, чем углеводы. Дыхательный коэффициент у человека в начале интенсивной физической работы приближается к единице, потому что источником энергии в этом случае являются преимущественно углеводы.

В первые минуты после интенсивной и длительной физической работы дыхательный коэффициент у человека больше единицы, так как С0₂ выделяется больше, чем потребляется 0₂, поскольку мо­лочная кислота, накопившаяся в мышцах, поступает в кровь и вы­тесняет С0₂ из бикарбонатов.

Калорическим эквивалентом кислорода называют количест­во тепла, освобождаемого организмом при потреблении 1л 0₂. Величина калорического эквивалента кислорода зависит от соотно­шения белков, жиров и углеводов, окисляющихся в организме. Ка­лорический эквивалент кислорода при окислении в организме (в процессе диссимиляции) белков, жиров и углеводов равен: для белков - 4, 48 ккал (18,8 кДж), для жиров - 4,69 ккал (19,6 кДж), для углеводов - 5,05 ккал (21,1 кДж).

Определение расхода энергии по способу Дугласа - Холдена (полный газовый анализ) осуществляют следующим образом. В те­чение нескольких минут испытуемый вдыхает атмосферный воз­дух, а выдыхаемый воздух собирают в специальный мешок, изме­ряют его количество и проводят анализ газов с целью определения объема потребленного кислорода и выделившегося С0₂. Рассчиты­вают дыхательный коэффициент, с помощью которого по таблице находят соответствующий калорический эквивалент 0₂, который затем умножают на объем 0₂, потребленного за данный промежу­ток времени.

Метод М. Н. Шатерникова для определения расхода энер­гии у животных в эксперименте заключается в следующем. Живот­ное помещают в камеру, в которую поступает кислород по мере его расходования. Выделяющийся при дыхании С0₂ поглощается ще­лочью. Расчет выделенной энергии осуществляется по количеству потребленного 0₂ и усредненному калорическому эквиваленту 0₂: 4,9 ккал (20,6 кДж).

Определение расхода энергии по способу Крога (неполный газовый анализ). Испытуемый вдыхает кислород из мешка метабо-лиметра, выдыхаемый воздух возвращается в тот же мешок, пред­варительно пройдя через поглотитель С0₂. По показаниям метабо-лиметра определяют расход 0₂ и умножают на калорический эквивалент кислорода в условиях основного обмена: 4,86 ккал (20,36 кДж). Таким образом, метод Дугласа - Холдена предполага­ет расчет расхода энергии по данным полного газового анализа; ме­тод Крога - только по объему потребленного кислорода с исполь­зованием калорического эквивалента кислорода, характерного для условий основного обмена (рис. 10.1).

Изменение интенсивности выработки энергии в организме иг­рает главную роль в процессах терморегуляции.