Елементарна біохімія

Міністерство освіти Російської Федерації.

Санкт-Петербурзький Державний Інститут Сервісу

та Економіки.

Елементарна біохімія.

Санкт-Петербург.

2000 рік.

Зміст

БІОХІМІЯ (біологічна хімія) - біологічна наука, що вивчає хімічну природу речовин, що входять до складу живих організмів, їх перетворення і зв'язок цих перетворень з діяльністю органів і тканин. Сукупність процесів, нерозривно пов'язаних з життєдіяльністю, прийнято називати обміном речовин. [1]

За останні десятиліття з усіх біологічних наук найбільший вплив на розвиток не тільки біології, але і всього природознавства в цілому справила біохімія. Досягнення біології і в пізнавальному, і в практичному плані перевершили найсміливіші прогнози першої половини нашого століття. Багато чого з того, що доступно сучасним біологам, ще кілька років тому видавалося фантастичним.

Вченим вдалося проникнути в глиб живої матерії до рівня складових її молекул, надмолекулярних комплексів та їх організованих ансамблів. Вивчення матеріальних носіїв життєдіяльності - нуклеїнових кислот і білків - набуло якісно нового характеру. Цілком заново стали осмислювати і експериментально дослідити механізми зберігання, передачі та реалізації спадкової інформації, перетворення матерії й енергії в клітині, імунітету, передачі нервових імпульсів і сприйняття клітиною сигналів і впливів зовнішнього середовища, принципи гуморальної регуляції та багато іншого.

Зовсім новим стало і вивчення різноманітних регуляторів процесів, що протікають у клітинах і тканинах, гормонів, нейропептидів, простагландинів і т. п. Сформувалася абсолютно нова система проблем, в яких фундаментальні пізнавальні завдання виявилися зближеними з практичним застосуванням надзвичайно високої ефективності (чи йде мова про функціонування ферментів, розкритті механізмів фотосинтезу, зору, нервової регуляції, діяльності мозку, захисту від інфекцій і багато чого іншого, включаючи найважливішу проблему маніпулювання з генетичним матеріалом).

Все це призвело до того, що за останню чверть століття - термін надзвичайно короткий, якщо підходити до нього з усталеними історичними мірками, - структура біології піддалася значним змінам.

Впровадження методів хімії в біологію сприяло тому, що формується біохімія опинилася серед біологічних наук найкращим чином підготовленої для проникнення в таємниці функціонування клітини. Саме завдяки цьому вона перетворилася з «служниці фізіології» в самостійну, методологічно надзвичайно важливу область біології. У пошуках відповіді на питання, як функціонує клітина, біохімія визначила цитологію і першою проникла в світ субклітинних утворень. Прогрес генетики також на певному етапі залежав від розвитку біохімічних методик і концепцій. [2]

Вивчення складу живих організмів здавна привертало увагу вчених, оскільки до числа речовин, що входять до складу живих організмів, крім води, мінеральних елементів, ліпідів, вуглеводів і т. д., відноситься ряд найбільш складних органічних сполук: білки і їхні комплекси з низкою інших біополімерів , в першу чергу з нуклеїновими кислотами.

Встановлено можливість спонтанного об'єднання (за певних умов) великого числа білкових молекул з утворенням складних надмолекулярних структур, наприклад, білкового чохла хвоста фага, деяких клітинних органоїдів і т. д. Це дозволило ввести поняття про само збираються системах. Такого роду дослідження створюють передумови для вирішення проблеми освіти найскладніших надмолекулярних структур, що володіють ознаками і властивостями живої матерії, з високомолекулярних органічних сполук, що виникли колись в природі абіогенним шляхом.

Сучасна біохімія як самостійна наука склалася на межі 19 і 20 ст. До цього часу питання, що розглядаються нині біохімією, вивчалися з різних сторін органічною хімією та фізіологією. Органічна хімія, вивчає вуглецеві з'єднання взагалі, займається, зокрема, аналізом і синтезом тих хімічних сполук, які входять до складу живої тканини. Фізіологія ж поряд з вивченням життєвих функцій вивчає і хімічні процеси, що лежать в основі життєдіяльності. Таким чином, біохімія є продуктом розвитку цих наук і її можна підрозділити на дві частини: статичну (або структурну) і динамічну. Статична біохімія займається вивченням природних органічних речовин, їх аналізом і синтезом, тоді як динамічна біохімія вивчає всю сукупність хімічних перетворень тих чи інших органічних сполук у процесі життєдіяльності. Динамічна біохімія, таким чином, стоїть ближче до фізіології і медицині, ніж до органічної хімії. Цим і пояснюється те, що спочатку біохімія називалася фізіологічної (або медичної) хімією. [3]

Як всяка швидко розвивається наука, біохімія незабаром після свого виникнення початку ділиться на ряд відособлених дисциплін: біохімія людини та тварин, біохімія рослин, біохімія мікробів (мікроорганізмів) і ряд інших, оскільки, незважаючи на біохімічне єдність всього живого, в тваринних і рослинних організмах існують і корінні відмінності в характері обміну речовин. У першу чергу це стосується процесів асиміляції. Рослини, на відміну від тварин організмів, мають здатність використовувати для побудови свого тіла такі прості хімічні речовини, як вуглекислий газ, вода, солі азотної і азотистої кислот, аміак та ін При цьому процес побудови клітин рослин вимагає для свого здійснення припливу енергії ззовні в формі сонячного світла. Використання цієї енергії первинно здійснюють зелені аутотрофние організми (рослини, найпростіші, ряд бактерій), які в свою чергу самі служать їжею для всіх інших так званих гетеротрофних організмів (у тому числі і людини), що населяють біосферу. Таким чином, виділення біохімії рослин в особливу дисципліну є обгрунтованим як з теоретичної, так і з практичної сторін.

Розвиток ряду галузей промисловості та сільського господарства (переробка сировини рослинного і тваринного походження, приготування харчових продуктів, виготовлення вітамінних і гормональних препаратів, антибіотиків і т.д.) призвело до виділення в окремий розділ технічної біохімії.

При вивченні хімізму різних мікроорганізмів дослідники зіткнулися з цілим рядом специфічних речовин і процесів, що представляють великий науково-практичний інтерес (антибіотики мікробного та грибкового походження, різні види бродінь, що мають промислове значення, утворення білкових речовин з вуглеводів і найпростіших азотистих сполук і т. д. ). Всі ці питання розглядають в біохімії мікроорганізмів.

У 20 столітті виникла як особлива дисципліна біохімія вірусів.

Потребами клінічної медицини було викликано поява клінічної біохімії.

З інших розділів біохімії, які зазвичай розглядаються як достатньо відокремлені дисципліни, що мають свої завдання і специфічні методи дослідження, слід назвати: еволюційну і порівняльну біохімію (біохімічні процеси і хімічний склад організмів на різних стадіях їхнього еволюційного розвитку), ензимології (структура і функції ферментів, кінетика ферментативних реакцій), біохімію вітамінів, гормонів, радіаційну біохімію, квантову біохімію (зіставлення властивостей, функцій і шляхів перетворення біологічно важливих сполук з їх електронними характеристиками, отриманими за допомогою квантово-хімічних розрахунків).

Особливо перспективним виявилося вивчення структури та функції білків і нуклеїнових кислот на молекулярному рівні. Це коло питань вивчається науками, що виникли на стиках біохімії з біологією і генетикою. [4]

Історія розвитку біохімії.

Можна виділити основні етапи розвитку біохімічної науки.

1. «Протобіохімія». Концепції процесів життєдіяльності і їх природи, що розвиваються у давнину, античності, в період середньовіччя. Концепції життєдіяльності в Епоху Відродження, залучення їх для опису і пояснення хімічних процесів.

2. Експериментальне вивчення процесів життєдіяльності в 17-18 ст. Перші хімічні теорії і пояснення процесів дихання, травлення, бродіння.

3. «Нова хімія» та вивчення методами хімії живих організмів і процес життєдіяльності. Перша криза методології в області взаємодії хімії та біології.

4. Формування біологічної хімії в рамках редукционистских програм біології другої половини 19 століття.

5. Розвиток класичної біологічної хімії.

6. Прогрес біохімії і революція в біології в другій половині 20 століття - формування фізико-хімічної біології. Методологічні, емпіричні і теоретичні основи цього процесу. Інтегруюча роль фізико-хімічної біології в системі біологічних наук. [5]

Вивчення живої матерії з хімічною боку розпочався з того моменту, коли виникла необхідність дослідження складових частин живих організмів і відбуваються в них хімічних процесів у зв'язку із запитами практичної медицини і сільського господарства. Дослідження середньовічних алхіміків призвели до накопичення великого фактичного матеріалу з природних органічних сполук. У 16-17 ст. погляди алхіміків отримали розвиток в працях ятрохіміки, які вважали, що життєдіяльність організму людини можна правильно зрозуміти лише з позицій хімії. Так, один з найвизначніших представників ятрохімії - німецький лікар і натураліст Ф. Парацельс висунув прогресивне положення про необхідність тісного зв'язку хімії з медициною, підкреслюючи при цьому, що завдання алхімії не у виготовленні золота і срібла, а у створенні того, що є силою і чеснотою медицини. Ятрохіміки ввели в медичну практику препарати ртуті, сурми, заліза та інших елементів. Пізніше І. Ван-Гельмонт висловив припущення про наявність в «соках» живого тіла особливих почав, так званих «ферментів», що беруть участь у різноманітних хімічних перетвореннях. [6]

У 17-18 ст. працювали такі видатні вчені як М.В. Ломоносов та А. Лавуазьє, що відкрили й затвердили в науці закон збереження матерії (маси). Лавуазьє вніс найважливіший внесок у розвиток не тільки хімії, але й у вивчення біологічних процесів. Розвиваючи більш ранні спостереження Майова, він показав, що при диханні, як і при горінні органічних речовин, поглинається кисень та виділяється вуглекислий газ. Одночасно ним же, разом з Лапласом, було показано, що процес біологічного окислення є і джерелом тваринної теплоти. Це відкриття стимулювало дослідження з енергетики метаболізму, в результаті чого вже на початку 19 століття було визначено кількість тепла, що виділяється при згорянні вуглеводів, жирів і білків.

Великими подіями другої половини 18 століття стали дослідження Р. Реомюр і Л. Спаланцані з фізіології травлення. Ці дослідники вперше вивчили дію шлункового соку тварин і птахів на різні види їжі (головним чином м'ясо) і поклали початок вивченню ферментів травних соків. Виникнення ензимології (вчення про ферменти), проте, зазвичай пов'язують з іменами К.С. Кірхгофа, а також Пейена і Персо, вперше вивчили дію на крохмаль ферменту амілази in vitro.

Важливу роль зіграли роботи Прістлі і особливо Інгенхауса, які відкрили явище фотосинтезу (кінець 18 століття).

На рубежі 18 і 19 ст. були проведені й інші фундаментальні дослідження в області порівняльної біохімії, тоді ж було встановлено існування кругообігу речовин у природі.

Успіхи статичної біохімії з самого початку були нерозривно пов'язані з розвитком органічної хімії.

Поштовхом до розвитку хімії природних сполук з'явилися дослідження шведського хіміка К. Шеєле (1742-1786 рр.).. Він виділив і описав властивості цілого ряду природних сполук - молочну, винну, лимонну, щавлеву, яблучну кислоти, гліцерин і аміловий спирт та ін Велике значення мали дослідження І. Берцеліуса і Ю. Лібіха, що закінчилися розробкою на початку 19 століття методів кількісного елементарного аналізу органічних сполук. Слідом за цим почалися спроби синтезувати природні органічні речовини. Досягнуті успіхи - синтез у 1828 році сечовини, оцтової кислоти (1844 р.), жирів (1850 р.), вуглеводів (1861 р.) - мали особливо велике значення, так як показали можливість синтезу in vitro ряду органічних речовин, що входять до складу тварин тканин або ж є кінцевими продуктами обміну. У другій половині 18 - початку 19 століття були проведені й інші важливі дослідження: з сечових каменів була виділена сечова кислота, з жовчі - холестерин, з меду - глюкоза і фруктоза, з листя зелених рослин - пігмент хлорофіл, у складі м'язів був відкритий креатин. Було показано існування особливої ​​групи органічних сполук - рослинних алкалоїдів, які знайшли пізніше застосування в медичній практиці. З желатини і бичачого м'яса шляхом їх гідролізу були отримані перші амінокислоти: гліцин і лейцин.

У Франції в лабораторії К. Бернара в складі тканини печінки був відкритий глікоген (1857), вивчено шляхи його утворення і механізми, що регулюють його розщеплення. У Німеччині в лабораторіях Е. Фішера, Е. Ф. Гоппе-Зейлера, А. Коссела та інших були вивчені структура та властивості білків, а також продуктів їх гідролізу, в тому числі і ферментативного.

У зв'язку з описом дріжджових клітин (1836-1838гг.) Почали активно вивчати процес бродіння (Лібіх, Пастер та ін.) Всупереч думці Лібіха, що розглядав процес бродіння як чисто хімічний, що протікає з обов'язковою участю кисню, Л. Пастер встановив можливість існування анаеробіозу, тобто життя в відсутності повітря, за рахунок енергії бродіння. Бухнер вдалося отримати з дріжджових клітин безклітинний сік, здатний, подібно до живих дріжджів, зброджувати цукор з утворенням спирту і вуглекислоти.

Накопичення великої кількості відомостей щодо хімічного складу рослинних і тваринних організмів і хімічних процесів, що протікають в них, призвело до необхідності систематизації та узагальнень в області біохімії. Першою роботи в цьому плані є підручник Зімон (1842). Очевидно, саме з того часу термін «біологічна (фізіологічна) хімія» утвердився в науці. У Росії перший підручник фізіологічної хімії був виданий професором Харківського університету А. І. Ходнева в 1847 році. Періодична література з біологічної хімії регулярно почала виходити з 1873 року в Німеччині. Пізніше біохімічні журнали почали видаватися в багатьох країнах світу на англійській, французькій, російській та інших мовах. У другій половині 19 століття на медичних факультетах багатьох російських і зарубіжних університетів були засновані спеціальні кафедри медичної, або фізіологічної хімії.

Справжній розквіт біохімії настав в 20 столітті. На самому початку його була сформульована і експериментально обгрунтована полипептидная теорія будови білків (Е. Фішер 1901-1902гг.). Пізніше був розроблений ряд аналітичних методів, що дозволяють вивчити амінокислотний склад білка (хроматографія, рентгеноструктурний аналіз, метод ізотопної індикації, цітоспектрофотометрія, електронна мікроскопія). Розшифровується первинна, вторинна, третинна та четвертинна структура багатьох білків. Синтезується ряд важливих білкових речовин.

Видатне значення мали роботи Л. Полінга, В. Віньо, Ф. Сенгера, С. Мура, Д. Філліпса, Дж. Нортроп, М. М. Шемякіна, Ф. Штрауба та ін

Блискучі роботи Чаргаффа, Дж. Уотсона і Ф. Кріка завершуються з'ясуванням структури ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти). Встановлюється двухспіральная структура ДНК і роль її у передачі спадкової інформації. Здійснюється синтез ДНК і РНК. Вирішується (1962 і наступні роки) одна з центральних проблем сучасної біохімії - розшифровується РНК - амінокислотний код. Вводиться поняття про молекулярні хворобах, пов'язаних з певними дефектами в структурі ДНК хромосомного апарату клітини.

Раніше класичними дослідженнями І. П. Павлова і його школи розкриваються основні фізіологічні та біохімічні механізми роботи травних залоз. Встановлюється існування замінних і незамінних амінокислот, розробляються норми білка в харчуванні. Детальному вивченню піддаються особливості процесу азотистого обміну у рослин. Особливе місце зайняло вивчення порушень азотистого обміну у тварин і людини при білкової недостатності. Детально досліджуються продукти розпаду гемоглобіну, розшифровуються шляху утворення гема.

Видатні успіхи досягнуті в розшифровці структури найважливіших вуглеводів і механізмів вуглеводного обміну. Докладно з'ясовано перетворення вуглеводів у травному тракті під впливом травних ферментів і кишкових мікроорганізмів. З'ясовуються біохімічні механізми порушення вуглеводного обміну (діабет, галактоземія, глікогенози та ін), пов'язані зі спадковими дефектами відповідних ферментативних систем.

Досягнуті успіхи в розшифровці структури ліпідів: фосфоліпідів, цереброзидів, ганглеозідов. Створюється теорія b-окислення жирних кислот. Розроблені сучасні уявлення про шляхи окислення та синтезу жирних кислот і складних ліпідів. Значний прогрес досягнутий при вивченні механізму біологічного окислення, тканинного дихання. Розроблено методи кількісного визначення цілого ряду біохімічних компонентів крові і тканин.

В. А. Енгельгардтом, а також Ліпман було введено поняття про «багатих енергією» фосфорних сполуках, зокрема АТФ, в макроергічних зв'язках яких акумулюється значна частина енергії, що звільняється при тканинному диханні.

20 століття ознаменувався розшифровкою хімічної будови всіх відомих в даний час вітамінів. Вводяться міжнародні одиниці вітамінів, встановлюються потреби у вітамінах людини і тварин, створюється вітамінна промисловість.

Не менш значні успіхи досягнуті в області біохімії гормонів. Отримано перші дані про механізм дії гормонів на обмін речовин. Розшифровано механізм регуляції функцій ендокринних залоз за принципом зворотного зв'язку.

Виникає новий напрям у біохімії - нейрохімія. Встановлено особливості в хімічному складі нервової тканини. Вводяться в медичну практику різні психофармакологічні речовини, що відкривають нові можливості в лікуванні нервових захворювань. Широко використовуються, особливо в сільському господарстві інгібітори холінестерази (медіатора, що діє на нервові закінчення) для боротьби з комахами-шкідниками.

Важливі результати отримані при вивченні складу та властивостей крові: вивчена дихальна функція крові в нормі і при ряді патологічних станів; з'ясований механізм перенесення кисню від легень до тканин і вуглекислоти від тканин до легень; уточнені і розшифровані уявлення про механізм згортання крові, вивчені фактори, при природженому відсутності яких в крові спостерігаються різні форми гемофілії.

У розвитку сучасної біохімії важливу роль зіграла розробка низки спеціальних методів дослідження: ізотопної індикації, диференціального центрифугування, спектрофотометрії, електронного парамагнітного резонансу та ін [7]

Характеристика основних розділів елементарної біохімії.

Білки [8]

В даний час встановлено, що в живій природі не існує небілкових організмів.

Білки - це високомолекулярні полімерні сполуки, що утворюють при гідролізі амінокислоти. В організмі тварин білків міститься до 40-50% і більше на суху масу, у рослин до 20-35%. Різноманітні і дуже важливі функції білків.

Будівельна, структурна функція. Білки утворюють основу протоплазми будь живої клітини, в комплексі з ліпідами вони є основним структурним матеріалом всіх клітинних мембран, всіх органел.

Каталітична функція. Практично всі біохімічні реакції катализируются білками-ферментами.

Рухова функція. Будь-які форми руху в живій природі (робота м'язів, рух війок і джгутиків у найпростіших) здійснюються білковими структурами клітин.

Транспортна функція. Білок крові гемоглобін транспортує кисень від легень до тканин і органів. Є білки крові, транспортують ліпіди, залізо, стероїдні гормони. Перенесення багатьох речовин через клітинні мембрани здійснюють особливі білки-переносники.

Захисна функція. Найважливіші фактори імунітету - антитіла і система комплементу є білками. Процес згортання крові, захищає організм від надмірної крововтрати відбувається за участю білків фібриногену, тромбіну та інших факторів згортання, теж є білками. Внутрішні стінки стравоходу, шлунка вистелені захисним шаром слизових білків - муцинів. Основу шкіри, оберігає тіло від багатьох зовнішніх впливів, становить білок колаген.

Гормональна функція. Ряд гормонів за своєю будовою відноситься до білків (інсулін) або пептидів (АКТГ, окситоцин, вазопресин).

Опорна функція. Сухожилля, суглобні зчленування, кістки скелета утворені в значній мірі білками.

Запасна функція. Білки здатні утворювати запасні відкладення (овальбумін яєць, казеїн молока, багато білків насіння).

Білки мають велике народногосподарське значення. Білки є основними компонентами їжі людини і тварин. Багато захворювань пов'язані з хронічним білковим голодуванням. Технологія багатьох виробництв заснована на переробці білків, Зміну їх властивостей.

Структурними елементами білків є амінокислоти.

Амінокислоти можна розглядати як похідні карбонових кислот, в яких один з водородов вуглецевого ланцюга заміщений на групу NH2.

Будова білкової молекули. Амінокислоти з'єднуються один з одним ковалентним пептидного чи амидной зв'язком. Освіта її відбувається за рахунок аміногрупи (NH2) однієї амінокислоти і карбоксильної (СООН) групи інший з виділенням молекули води.

Структура молекули білка має чотири рівні. Первинна структура білкової молекули це порядок чергування амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Вторинна структура - це впорядкована просторове розташування окремих ділянок поліпептидного ланцюга, вона утворюється за рахунок замикання водневих зв'язків між пептидними групами. Третинна структура описує просторову укладання всієї молекули білка. У підтримці третинної структури білка, її закріплення беруть участь різні типи зв'язків (ковалентні, іонні, водневі та гідрофобні взаємодії). Під четвертинної структурою розуміють спосіб взаємного розташування в просторі окремих поліпептидних ланцюгів у молекулі, характер зв'язків між ними.

Всі білки прийнято ділити на дві групи: прості, або протеїни (складаються тільки з амінокислот), і складні (в їх молекулі крім білкової частини міститься і небілкова, простетическая): Хромопротеїни, ліпопротеїни, нуклеопротеїнів і т. д.

Ферменти [9]

Ферменти, або ензими, - це каталізатори білкової природи, що утворюються і функціонують у всіх живих організмах.

Будучи каталізаторами - речовинами, які прискорюють реакції, ферменти мають ряд загальних властивостей з хімічними, небиологическими каталізаторами.

1. Ферменти не входять до складу кінцевих продуктів реакції і виходять з реакції в первісному вигляді. Вони не витрачаються в процесі каталізу.

2. Ферменти не можуть порушити реакцій, що суперечать законам термодинаміки, вони тільки прискорюють ті реакції, які можуть протікати і без них.

3. Ферменти, як правило, не зміщують положення рівноваги реакції, а лише прискорюють його досягнення.

Для ферментів характерні і специфічні властивості, що відрізняють їх від хімічних каталізаторів, що виражають їх хімічну природу.

1. За хімічною будовою молекули всі ферменти є білками.

2. Ефективність ферментів вище, ніж небіологічних каталізаторів.

3. Ферменти мають вузькою специфічністю, вибірковістю дії на субстрати, тобто на речовини, перетворення, яких вони каталізують.

4. Одним з найважливіших властивостей ферментів є їх регулюємість.

При ферментативних реакціях на відміну від неферментативних спостерігаються лише незначні побічні процеси, для ферментативних реакцій характерний майже 100% вихід продуктів.

Відповідно до класифікації, всі ферменти поділяються на шість класів відповідно до характеру каталізуються ними реакцій.

1. Оксидоредуктази. Каталізують окисно-відновні реакції.

2. Трансферази. Каталізують реакції переносу угруповань з однієї сполуки на іншу.

3. Гідролази. Прискорюють гидролитическое розщеплення речовин.

4. Ліази. Каталізують реакції негідролітіческого розщеплення з утворенням подвійних зв'язків або реакції приєднання по подвійних зв'язках.

5. Ізомерази. Каталізують реакції ізомераціі сполук.

6. Лігази (синтетази). Прискорюють реакції синтезу з використанням енергії макроергічних сполук.

Ферментативні препарати знаходять широке застосування в різних галузях промисловості. У хлібопекарському виробництві для прискорення гідролізу крохмалю і поліпшення якості тіста використовують амілази. При приготуванні дитячої їжі з метою полегшення перетравлювання вуглеводів та білків вихідні продукти обробляються амилазой і протеїназ. Специфічні протеїнази використовують у виноробстві, у шкіряній промисловості, при виробництві синтетичних миючих засобів. Ферменти використовують як лікарські засоби: пепсин, трипсин, хімотрипсин, лидаза, стрептокіназа ...

Нуклеїнові кислоти [10]

Нуклеїнові кислоти - це складні сполуки, які з пуринового або піримідинового азотистого підстави, моносахарида пентози (рибози або дезоксирибози) і фосфорної кислоти.

Нуклеїнові кислоти - найважливіший компонент усіх живих організмів, всіх живих клітин. За участю нуклеїнових кислот відбувається утворення білків. Кожен живий організм має свої специфічні білки, якими він відрізняється то інших організмів. Інформація, яка визначає особливості структури білків, «записана» в ДНК і передається в ряду поколінь молекулами ДНК. Всі нуклеїнові кислоти поділяються на два типи в залежності від того, який моносахарид входить до їх складу; рибонуклеїнова кислота (РНК) містить рибозу, дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) містить дезоксирибозу.

Пуринові і піримідинові азотисті основи, що входять до складу нуклеїнових кислот, є похідними ароматичних, гетероциклічних сполук - пурину і піримідину. Серед пуринових азотистих основ головну роль грають аденін (А) і гуанін (Г), а серед піримідинових основ - цитозин (Ц), урацил (У), тимін (Т). До складу ДНК входять аденін, цитозин, гуанін, тимін; в РНК замість тиміну є урацил.

ДНК подібно білкам має первинну, вторинну і третинну структуру. Хромосоми тварин, бактерій, вірусів містять по одній безперервної ДНК-спіралі величезної довжини порівняно з розмірами ядра. Більше 99% ДНК клітини знаходиться в її ядрі і близько 1% в цитоплазмі. Спадкова інформація передається за допомогою унікальної послідовності ділянок ядерної ДНК.

Вміщені в клітці РНК розрізняються розміром, складом, функціями і локалізацією. У цитоплазмі міститься РНК декількох видів: транспортна РНК (тРНК), інформаційна РНК (іРНК), рибосомна РНК (рРНК). У ядрі локалізована ядерна РНК (яРНК), кількість якої становить від 4 до 10% від сумарної клітинної РНК.

Синтез РНК, ДНК і білка дуже складні, взаємопов'язані процеси, якими впритул займається така наука, як генна інженерія. Основне завдання генної інженерії - отримання молекул ДНК in vitro, їх розмноження та введення в організм з метою отримання нових спадкових властивостей.

Вуглеводи [11]

Вуглеводами називають альдегіди і кетони багатоатомних спиртів і полімери цих сполук. У біосфері вуглеводів більше, ніж усіх інших органічних сполук разом узятих. У рослинному світі на їх частку припадає 80-90% з розрахунку на суху речовину. У тваринному організмі вуглеводів міститься близько 2% маси тіла, але значення їх однаково велике для всіх живих організмів, про що свідчать ті важливі функції, які вони виконують.

1. Енергетична. Окисляючи в процесі дихання, вуглеводи виділяють укладену в них енергію та забезпечують значну частину потреби організму в ній. При окисленні 1г вуглеводів виділяється 16,9 кДж енергії.

2. Пластична. Вуглеводи використовуються для синтезу багатьох важливих для організму речовин: нуклеїнових кислот, органічних кислот, а з них - амінокислот і далі білків, ліпідів і т. д.

3. Захисна. Вуглеводи - основні компоненти оболонок рослинних тканин, вони беруть участь у побудові зовнішнього скелета комах і ракоподібних, в утворенні клітинних стінок бактерій і клітинних мембран всіх живих організмів.

4. Опорна. Целюлоза та інші полісахариди оболонок рослин не тільки захищають клітини від зовнішніх впливів, а й утворюють міцний остов рослини. У комплексі з білками вуглеводи входять до складу хрящових тканин людини і тварин.

5. Специфічні функції вуглеводів. Вуглеводи визначають антигенну специфічність, обумовлюють відмінності груп крові та ін

6. Вуглеводи виконують також функцію запасних поживних речовин.

Вуглеводи поділяють на моносахариди, олігосахариди і полісахариди.

До моносахаридам відносяться вуглеводи та їх похідні, які не здатні розщеплюватися без втрати основних вуглеводних властивостей.

Олігосахариди гідролізуються з утворенням невеликого числа моносахаридів (від 2 до 10).

Полісахариди (глікана) представляють собою високомолекулярні полімери моносахаридів та їх похідних. Число залишків моносахаридних одиниць у них від 10 до кількох тисяч.

Освіта вуглеводів відбувається в рослинах у процесі фотосинтезу і в мікроорганізмах в процесі хемосинтезу.

Людина і тварини не здатні до первинного біосинтезу вуглеводів з неорганічних речовин, вони можуть лише утворювати їх у процесі глюконеогенезу з інших органічних речовин (органічних кислот, жирів, амінокислот), але головним джерелом вуглеводів є їжа. Вуглеводи складають істотну частину раціону людини і багатьох тварин. На їх частку припадає 60-70% загальної суми калорій їжі людини. Вуглеводи всмоктуються через слизову оболонку кишечника тільки у вигляді моносахаридів. Для розщеплення і переварювання великих полісахаридів в травному тракті є десятки різних ферментних систем. У результаті послідовного впливу ферментів вуглеводи перетворюються на моносахариди, вони добре всмоктуються через кишкову стінку в кров і розносяться по організму для виконання своїх функцій.

Ліпіди [12]

Ліпідами називаються неоднорідні в хімічному відношенні речовини, загальною властивістю яких є хороша розчинність в неполярних органічних розчинниках: ефірі, ацетоні, хлороформі, бензолі і т. п. За своїм хімізму ліпіди, в більшості випадків, являють собою складні ефіри вищих жирних кислот з гліцерином або деякими іншими спиртами специфічної будови. У складі низки ліпідів крім цих компонентів зустрічаються фосфорна кислота, азотисті основи, або вуглеводи. У екстракті, отриманому при обробці тварин або рослинних тканин органічними розчинниками, присутні зазвичай вищі і поліциклічні спирти, жиророзчинні вітаміни, які деякі автори також відносять до класу ліпідів.

Ліпіди можуть бути класифіковані наступним чином:

1. Нейтральні жири і вільні жирні кислоти

2. Фосфоліпіди

3. Гліколіпіди

4. Стероїди

5. Воску

6. Терпени

Функції цього класу сполук важливі і різноманітні.

1. Перш за все, ліпіди у вигляді комплексу з білками є структурними елементами мембран клітин і клітинних органел. У зв'язку з цим вони визначають транспорт речовин в клітини і беруть участь в ряді інших процесів, пов'язаних з функціонуванням мембран.

2. Ліпіди служать також енергетичним матеріалом для організму. При окисленні 1 г жиру виділяється 39 кДж енергії, тобто У 2 рази більше, ніж при розщепленні 1 г вуглеводів. Одночасно ліпіди є запасними речовинами, у формі яких депонується метаболічне паливо. Певний виняток у цьому відношенні складають бактерії: у більшості з них накопичення енергії здійснюється в неліпідних формі (глікоген) і тільки 9У деяких видів - у формі полі-3-гідроксимасляної кислоти.

3. У зв'язку з добре вираженими термоізоляційними властивостями ліпіди зберігають тепло в організмі, особливо у морських і полярних тварин, виконуючи тим самим захисну функцію. У вигляді жирової прокладки оберігають тіло і органи тварин від механічного пошкодження, служать жировим змащенням для шкіри. Восковий наліт на листі і плодах рослин захищає від надмірного випаровування і проникнення мікроорганізмів. Ліпідні компоненти бактерій значною мірою визначають їх чутливість або резистентність до антибіотиків. Деякі з ліпідів мають відношення до імунітету (гліколіпіди).

4. Регуляторної активністю володіють простагландини, поліпреноловие коферменти - переносники. Від властивостей і структури мембранних ліпідів багато в чому залежить активність мембранозв'язаних ферментів, особливості протікання процесів окисного фосфорилювання.

5. Будучи найважливішими компонентами нервових тканин, гліколіпіди справляють істотний вплив на функціонування нервової системи.

Ліпіди - важлива складова частина їжі. Дорослій людині потрібно від 70 до 145 г жиру на добу залежно від трудової діяльності, статі, кліматичних умов. Причому необхідні як тварини, так і рослинні жири. Ліпіди є високоенергетичними речовинами, тому за їх рахунок задовольняється 25-30% потреби людського організму в енергетичному матеріалі. Крім того, у складі тваринних жирів в організм надходять жиророзчинні вітаміни А, Д, К, Е, рослинні жири багаті неграничними жирними кислотами (вітамін F), які є попередниками простагландинів, вихідним матеріалом для синтезу організмом фосфоліпідів та інших речовин.

Переварювання жиру починається в шлунку, де знаходиться фермент ліпаза. Основне розщеплення ліпідів відбувається в кишечнику, в першу чергу в дванадцятипалої кишці під впливом ферменту підшлункової залози ліпази і жовчі, що надходить з жовчного міхура. У результаті ферментативного впливу утворюється дуже тонка жирова емульсія, діаметр частинок якої не перевищує 0,5 мкм. Такі емульговані жири здатні самостійно проходити через стінку кишечника і потрапляти в лімфатичну систему.

Вітаміни [13]

Вітаміни - низькомолекулярні органічні сполуки, які, будучи присутнім в їжі в невеликих кількостях, є незамінними її компонентами, забезпечують нормальний перебіг біохімічних і фізіологічних процесів шляхом участі в регуляції метаболізму. Вітаміни не включаються в структуру тканин людини і тварин і не використовуються як джерело енергії.

Багато вітаміни являють собою вихідний матеріал для біосинтезу коферментів і простетических груп ферментів. У цьому полягає одна з основних причин необхідності вітамінів для нормального протікання обмінних процесів.

Вітаміни ділять на:

1. Розчинні у воді (вітаміни В1, В2, В6, В12, С)

2. Розчинні у жирах (вітаміни А, К, Д, Е)

3. Вітаміноподібні сполуки.

Для характеристики забезпеченості організму будь-яким вітаміном прийнято розрізняти три її форми: авітаміноз, гіповітаміноз, гіпервітаміноз. Перший термін застосовують щодо комплексу симптомів, що розвиваються в результаті досить тривалого, повного або майже повної відсутності одного з вітамінів. Під гіповітамінозом розуміють стан, що характеризує часткову, але вже проявилася специфічним чином недостатність вітаміну. Гіпервітаміноз - комплекс патофізіологічних і біохімічних порушень, що виникають внаслідок тривалого зайвого введення в організм будь-якого з вітамінів.

Кожен гіповітаміноз має свої характерні симптоми. Наприклад, недолік вітаміну А викликає зниження зору в темряві (гемералопии) і сухість рогівки (ксерофтальмія). Гіповітаміноз Д викликає рахіт. При авітамінозі До з'являються підшкірні та внутрішньом'язові крововиливи. Недостатність вітамінів групи В виявляється в порушенні функції нервової системи різного характеру, анемії, хворобах шкіри, уповільнення зростання та ін Основні симптоми С-вітамінної недостатності: ламкість кровоносних капілярів, загальна слабкість, стомлюваність, цинга.

Елементарна біохімія вивчає вищеописані речовини, їх взаємні перетворення, біосинтез, роль в обміні речовин, регуляції метаболізму, значення для народного господарства, можливості їх використання в промисловості.

Актуальність біохімії як науки.

Неможливо уявити в даний час практично жодної природної науки, яка не використовувала б досягнення біохімії. Біологічна хімія має і суто наукове (теоретичне) і, що найбільш важливо, практичне (прикладне) значення.

Сільськогосподарська наука використовує біохімію для боротьби з комахами-шкідниками, для створення добрив, для селекції сортів рослин та порід тварин.

Харчова промисловість використовує досягнення біохімії для виробництва легко засвоюваного дитячого харчування, для обробки продуктів, що підлягають консервації, для виробництва кисломолочних продуктів (ферменти у виробництві сиру).

Генетика дуже тісно взаємодіє з біохімією. Тільки завдяки використанню біохімічних процесів і реакцій можливе виділення генів, розшифрування генетичного коду, вплив на патологічні гени із метою боротьби з генетичними захворюваннями.

Фармацевтична промисловість використовує результати біохімічних досліджень для виробництва різних препаратів: Вітамінів, ферментів, кровоспинних ліків, антибіотиків і т. д.

Радіологія і біохімія також мають точки дотику. Існує окрема наука - радіаційна біохімія, яка вивчає зміни обміну речовин, що виникають в організмі при дії на нього іонізуючого випромінювання. Вплив радіації на організм може ініціювати біохімічні процеси, які призводять до розвитку променевої хвороби, раку, лейкозів, вроджених вад розвитку у дітей, безплідності та інших захворювань.

Виходячи з цього, звичайно, найбільш прикладний характер має біохімія в медицині. Сучасні лікарі проводять біохімічні дослідження крові, сечі, шлункового соку, спинномозкової рідини та ін Маючи результати тільки біохімічних досліджень поставити можна діагнози безлічі захворювань (гепатиту, ниркової недостатності, анемії, сечокам'яної хвороби, цукрового діабету та багатьох інших). Орієнтуючись на динаміку зміни біохімічних показників, лікарі призначають і коригують дози лікарських засобів і домагаються одужання.

Деякі перспективи розвитку біохімії.

Успіхи Біохімії в значній мірі визначають не тільки сучасний рівень медицини, але і її можливий подальший прогрес. Однією з основних проблем біохімії і молекулярної біології стає виправлення дефектів генетичного апарату. Радикальна терапія спадкових хвороб, пов'язаних з мутаційними змінами тих чи інших генів, відповідальних за синтез певних білків і ферментів, в принципі можлива лише шляхом трансплантації синтезованих in vitro або виділених з клітин аналогічних «здорових» генів. Дуже привабливою завданням є також оволодіння механізмом регуляції зчитування генетичної інформації, закодованої у ДНК, і розшифровки на молекулярному рівні механізму клітинного диференціювання в онтогенезі. Проблема терапії ряду вірусних захворювань, особливо лейкозів, ймовірно, не буде вирішена до тих пір, поки не буде повністю зрозумілий механізм взаємодії вірусів (зокрема, онкогенних) з инфицируемой клітиною. У цьому напрямку інтенсивно ведуться роботи в багатьох лабораторіях світу. З'ясування картини життя на молекулярному рівні дозволить не тільки повністю зрозуміти що відбуваються в організмі процеси, але й відкриє нові можливості у створенні ефективних лікарських засобів, у боротьбі з передчасним старінням, розвитком серцево-судинних захворювань, продовження життя.

Список літератури.

1. Велика медична енциклопедія. Москва. Медицина. 1986р.

2. Шамін О. М. «Історія біологічної хімії». Москва. Наука.1990г.

3. Анісімов А. А. «Основи біохімії». Москва. Вища школа. 1987р.

4. Діксон М., Уебб Е. «Ферменти». Москва. 1982р. Том 1.

5. Северин С. Є. «Ліпіди. Структура, біосинтез і функції ». М. 1987р.

6. Смирнов М. І. А «Вітаміни». Москва. 1987р.

[1] Велика Медична Енциклопедія. Москва. Медицина. 1986р.

[2] Шамін О. М. «Історія біологічної хімії» Москва. Наука. 1990р.

[3] Велика Медична Енциклопедія. Москва. Медицина. 1986р.

[4] Шамін О. М. «Історія біологічної хімії» Москва. Наука. 1990р.

[5] Шамін О. М. «Історія біологічної хімії» Москва. Наука. 1990р.

[6] Велика Медична Енциклопедія. Москва. Медицина. 1986р.

[7] Шамін О. М. «Історія біологічної хімії». Москва. Наука. 1990р.

[8] Анісімов А. А. «Основи біохімії». Москва. Вища школа. 1987р.

[9] Діксон М. Уебб Е. «Ферменти». Москва. 1982р. Том 1.

[10] Анісімов А. А. «Основи біохімії» Москва. Вища школа. 1987р.

[11] Анісімов А. А. «Основи біохімії» Москва. Вища школа. 1987р.

[12] Северин С. Є. «Ліпіди. Структура, біосинтез і функції »Москва. 1987р.

[13] Смирнов М. І. «Вітаміни» Москва. 1987р.