ЛЕКЦИЯ № 1 Биохимия – это химия живых объектов (клеток и организмов). Живые объекты отличаются от неживых своей способностью к метаболизму и воспроизведению генетической информации. Биологическая химия – это наука о молекулярной сущности жизни. Она изучает химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, а также связь этих превращений с деятельностью клеток, органов и тканей и организма в целом. Из этого определения вытекает, что биохимия занимается выяснением химических основ важнейших биологических процессов и общих путей и принципов превращений веществ и энергии, лежащих в основе разнообразных проявлений жизни. Таким образом, главной задачей биохимии является установление связи между молекулярной структурой и биологической функцией химических компонентов живых организмов. В зависимости от объекта исследования биохимию условно подразделяют на биохимию человека и животных, биохимию растений и биохимию микроорганизмов. Несмотря на биохимическое единство всего живого, существуют и коренные различия как химического состава, так и обмена веществ в животных и растительных организмах. Обмен веществ, или метаболизм,– это совокупность всех химических реакций, протекающих в организме и направленных на сохранение и самовоспроизведение живых систем. Ряд основных метаболических путей является общим для большинства клеток и организмов. Эти пути, в результате которых осуществляются синтез, разрушение и взаимопревращение наиболее важных метаболитов, а также накопление химической энергии, называются промежуточным метаболизмом. Здесь приводится схема этих процессов. Живые объекты представляют собой открытые системы. Это означает, что живые системы участвуют в обмене с окружающей средой. Этот обмен со средой осуществляется с помощью субстратов (источников свободной энергии) и приходящей извне информации (что приводит к снижению энтропии и повышению уровня организации живых систем). Структуры живых объектов обычно образуются из простых неорганических и органических веществ и обладают определенной пространственной конфигурацией, которая не отражается их простейшими химическими формулами. Это необходимо иметь в виду при рассмотрении реакционной способности, часто зависящей от конфигурации. Относительно простые соединения объединяются в макромолекулы и, наконец, в надмолекулярные структуры, лежащие в основе главных строительных блоков, из которых состоят живые системы, - клетки и их органеллы. Молекулы живых систем имеют определенные размеры и форму, связанные с их функциями в организмах. Функционирование живых систем основано на биохимических реакциях, протекающих в клеточных и субклеточных структурах, а также в растворе цитоплазмы или в межклеточных жидкостях. Обычные известные нам химические реакции проводят в реакционных сосудах, изготовленных из небиологических материалов, причем размеры этих сосудов несопоставимо больше величины реагирующих молекул. Кроме того, для обычных химических реакций иногда требуются высокие температуры или давления, активные реагенты или электрическая энергия; часто такие реакции проводят в органических растворителях. В отличие от химических биохимические реакции в живых клетках протекают в объемах, жестко ограниченных размерами клеток или их органелл, необычайно хрупкие стенки которых часто имеют толщину порядка нескольких молекул. Кроме того, биохимические реакции осуществляются только в водной среде при сравнительно низких постоянных температурах. Клетки не могут переносить экстремальной температуры или давления, экстремальной кислотности или присутствия соединений, обладающих высокой химической активностью. Поэтому, биохимические реакции протекают в сравнительно узком интервале физических и химических параметров: 1) температура 2) давление 3) концентрация 4) активность водородных ионов (величина рН). Значения рН поддерживаются на нужном уровне буферными системами. Относительное постоянство значений рН весьма существенно для того, чтобы предотвратить диссоциацию биологически активных соединений, поскольку в результате может произойти изменение формы и реакционной способности молекул белков и соответственно изменение их структурной стабильности или ферментативной активности. Изучение биохимии будет проходить по следующей программе: Сначала мы изучим различные классы молекул, затем перейдем к анализу изотермических, последовательно связанных друг с другом, саморегулируемых ферментативных реакций, составляющих систему, через которую осуществляется обмен веществом и энергией между организмом и окружающей средой, т.е. метаболизм. Наконец, мы рассмотрим молекулярные основы самовоспроизведения клеток и преобразования «одномерной» информации, содержащейся в ДНК, в трехмерную структуру белков. Большая часть органического вещества в живых клетках состоит из макромолекул четырех основных типов: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и ансамблей липидных молекул. Полисахариды – цепи простых повторяющихся остатков сахаров. В отличие от нуклеиновых кислот и белков они не являются информационными молекулами, поскольку состоят из одинаковых повторяющихся единиц. Происхождение названия «углеводы» связано с тем, что большинство веществ этого класса представляют собой соединения углерода с водой. Большинство (но не все) распространенных углеводов имеют эмпирическую формулу (СН 2О)n. Они составляют 80% массы сухого вещества растений и около 2% сухого вещества животных организмов. Животные и человек не способны синтезировать сахара и получают их с различными пищевыми продуктами растительного происхождения. В организме человека углеводы либо усваиваются напрямую, либо откладываются в виде гликогена. Основными источниками углеводов являются крупы, овощи, фрукты и бобовые. Кроме того, углеводы могут формироваться в самом организме из некоторых аминокислот и глицероловой составляющей жиров. Углеводы — основной источник горючего для нашего организма. Жиры и белки дополняют энергетический потенциал организма, но в меньшей степени. Присутствующие в организме углеводы составляют лишь 2 процента от его общих энергетических запасов, притом что 80 процентов запаса энергии содержится в жировых отложениях, а оставшиеся 18 процентов— в белках (скелетных мышцах). Поскольку каждый грамм углеводов накапливается в теле вместе с 4 граммами воды, тогда как отложение жира воды не требует, организм легче накапливает жиры и именно на них полагается как на основной резервный источник энергии. В растениях углеводы образуются из двуокиси углерода и воды в процессе сложной реакции фотосинтеза, осуществляемой за счет солнечной энергии с участием зелёного пигмента растений - хлорофилла. 6СО2 + 6Н2О --------- С6Н12О6 + 6О2 Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется около 200 млн. тонн свободного кислорода. В организме человека и животных углеводы выполняют важные функции: энергетическая. Для деятельности мозга, клеток крови, мозгового вещества почек и надпочечников практически вся энергия поставляется за счет окисления глюкозы. При полном распаде 1г углеводов выделяется 17,15 кДж; пластическая. Углеводы входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований, применяют участие в синтезе важнейших веществ: ферментов, липидов, нуклеопротеидов; запасных питательных веществ Они накапливаются в животных организмах в форме гликогена, у растений в виде крахмала; защитная. Вязкие секреты (слизи) богаты углеводами и предохраняют стенки полых органов (пищевод, кишечник) от механических повреждений и действия патогенных микроорганизмов; регуляторная. Наша пища содержит большое количество клетчатки, которая способствует перистальтике кишечника; специфическая. Отдельные углеводы участвуют в выполнении особых функций: проведения нервных импульсов, в образовании антител, обеспечения специфичности групп крови. Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды, или простые сахара, содержат только одну структурную единицу полигидроксиальдегида или полигидроксикетона. МС – бесцветные, твердые, кристаллические вещества, которые легко растворяются в воде и имеют, как правило, сладкий вкус. Основу моносахаридов составляет неразветвленная цепочка углеродных атомов, соединенных между собой одинарными связями. Один из атомов углерода связан двойной связью с атомом кислорода, образуя карбонильную группу; ко всем остальным атомам углерода присоединены гидроксильные группы. Существует два семейства моносахаридов: альдозы и кетозы. Если карбонильная группа расположена в конце углеродной цепи, то моносахарид является альдегидом и носит название альдоза. Если карбонильная группа находится в любом другом положении, то моносахарид является кетоном и носит название кетозы. К простейшим моносахаридам относятся две триозы (треуглеродные сахара): альдоза глицеральдегид и кетоза дигидроксиацетон. Моносахариды, углеродный скелет которых образуется из 4, 5, 6 или 7 атомов, называют соответственно тетрозами, пентозами, гексозами и гептозами. Каждый из таких моносахаридов может существовать в двух формах, образуя альдотетрозы и кетотетрозы, альдопентозы и кетопентозы и т.д. Наиболее широко распространены в природе гексозы, а именно альдогексоза D-глюкоза и кетогексоза D-фруктоза (рис.112). Альдопентозы D-рибоза и 2-дезокси- D-рибоза (рис.11-3) входят в состав нуклеиновых кислот. Глицериновый альдегид содержит один атом углерода, соединенный с четырьмя разными атомами и группами атомов . Как известно, такой атом углерода называют асимметрическим Атом водорода и гидроксильная группа возле такого атома углерода могут располагаться в пространстве по-разному, т. е. вещества, содержащие асимметрический атом углерода, обладают пространственной изомерией, или стереоизомерией. В связи с этим существует два стереоизомера глицеринового альдегида,которые обозначаются как D- и L-формы. D –глицеральдегид – эталон. Все углеводы, которые также как D – глицеральдегид вращают плоскополяризованный луч вправо являются D –изомерами. Все углеводы, которые похожи на L- глицеральдегид (спиртовая группа у них слева и они вращают плоскополяризованный луч влево) называют L-изомерами. У всех природных углеводов спиртовые группы находятся справа – они все D – углеводы, если в организм попадет L-углевод он не усвоится. Форма представления альдоз и кетоз в виде прямолинейных цепочек соответствует лишь структуре триоз и тетроз. Что касается моносахаридов, скелет которых состоит из 5 и более атомов углерода, то в растворах они существуют в виде циклических структур, причем карбонильная группа находится не в свободном состоянии, а образует ковалентную связь с одной из гидроксильных групп, связанных с атомом углерода основной цепи. В этом случае из-за асимметрии атома С1 могут образовываться два стереоизомера, обозначаемые буквами и . Такие циклические формы сахаров из-за их сходства с шестичленным циклическим соединением пираном получили название пираноз. Две циклические формы D-глюкозы называются -Dглюкопиранозой и -D-глюкопиранозой. Альдогексозы также существуют в виде циклических соединений с пятичленными кольцами. Из-за сходства таких колец с пятичленным циклическим соединением фураном их называют фуранозами. Однако шестичленное альдопиранозное кольцо намного более устойчиво, чем альдофуранозное, и потому в растворах альдогексоз преобладает альдопиранозная форма. Кетогексозы также могут существовать в виде двух форм фураноз. D-фруктоза образует две фуранозы (рис.1110), из которых чаще встречается -D-фруктофураноза. Следует помнить, что в действительности шестичленное пиранозное кольцо не лежит в одной плоскости, как это кажется при использовании проекции Хеуорса. У большинства сахаров оно имеет форму кресла, а некоторых форму лодки. Дисахариды состоят из двух ковалентно связанных друг с другом моносахаридов. У большинства дисахаридов химическая связь между моносахаридными единицами называется гликозидной связью, она образуется в результате взаимодействия гидроксильной группы одного из сахаров с аномерным атомом углерода второго сахара. Дисахариды, также как и моносахариды, широко распространены в природе; наиболее часто встречаются сахароза, лактоза и мальтоза. Простейший дисахарид – мальтоза – содержит два остатка D-глюкозы, соединенных гликозидной связью между первым атомом углерода (аномерным углеродом) одного остатка глюкозы и четвертым атомом углерода второго остатка. Аномерный атом углерода в гликозидной связи между двумя остатками D-глюкозы имеет -конфигурацию, соответственно эта связь обозначается как (14). Оба остатка глюкозы находятся в пиранозной форме. Дисахарид лактоза, при гидролизе которого образуется D-галактоза и Dглюкоза, присутствует только в молоке. В процессе переваривания пищи лактоза подвергается ферментативному гидролизу в результате воздействия лактазы, секретируемой мукозными клетками кишечника. У грудных младенцев активность этого фермента очень высока, однако в кишечнике большинства взрослых людей лактазная активность очень низка, что часто приводит к непереносимости (интолерантности) лактозы, а следовательно и молока. Причина непереносимости лактозы связана с тем, что этот дисахарид может всасываться в кишечник только после гидролиза на моносахаридные компоненты: при низкой лактазной активности не усвоенная лактоза накапливается в кишечнике; в результате после потребления молока у человека с непереносимостью лактозы возникает тяжелое расстройство желудка и боли в животе. Сахароза, или тростниковый сахар, - дисахарид, состоящий из глюкозы и фруктозы. Сахарозу синтезируют многие растения, у высших животных она отсутствует. В отличие от мальтозы и лактозы у сахарозы нет свободного аномерного атома углерода поскольку оба аномерных атома моносахаридных остатков связаны друг с другом, поэтому сахароза не является восстанавливающим сахаром. В биохимии растений этот сахарид своего рода загадка. Дело в том, что если глюкоза служит основным строительным блоком как крахмала, так и целлюлозы, то сахароза – основной промежуточный продукт фотосинтеза. У многих растений именно в форме сахарозы транспортируются по сосудистой системе сахара из листьев к другим частям растений. Главным образом для людей, страдающих ожирением и диабетом, которым вредно избыточное употребление сахара были получены искусственные сладкие вещества, не обладающие питательной ценностью. Эти искусственные сладости стимулируют те же вкусовые рецепторы на языке, что и природные сахара, но не усваиваются организмом. Наиболее широкое распространение из таких веществ получил сахарин, который в 400 раз слаще сахарозы. Полисахариды (гликаны) отличаются друг от друга как природой составляющих их моносахаридных остатков, так и длиной и степенью разветвленности цепей. Их можно разделить на два типа: гомополисахариды, состоящие из остатков одного и того же моносахарида, и гетерополисахариды, содержащие остатки двух или большего числа моносахаридов. Пример гомополисахарида – резервный углевод крахмал, состоящий только из остатков Dглюкозы. Пример гетерополисахарида – содержащаяся в соединительной ткани гиалуроновая кислота, которая состоит из чередующихся остатков двух разных моносахаридов. В отличие от белков полисахариды нельзя характеризовать строго определенной молекулярной массой: как правило, они представлены смесями высокомолекулярных соединений; в зависимости от метаболических потребностей клеток моносахаридные остатки могут ферментативно присоединяться к полисахаридам или отщепляться от них. Некоторые полисахариды представляют собой форму запасания «клеточного топлива». Наиболее важный резервный полисахарид в клетках растений – крахмал, а в клетках животных – гликоген. И крахмал, и гликоген содержатся внутри клеток в виде крупных кластеров, или гранул. Наиболее богаты крахмалом клубни (например, картофеля) и семена (особенно кукурузы), однако способностью синтезировать крахмал обладают почти все клетки растений. Крахмал представляет собой смесь двух полимеров глюкозы: -амилозы и амилопектина. Первый из них состоит из длинных, неразветвленных цепей остатков D-глюкозы, соединенных друг с другом (14)связями. Молекулярная масса таких цепей колеблется от нескольких тысяч до 500 000. Амилопектин также имеет высокую молекулярную массу, но в отличие от -амилозы его цепи сильно разветвлены. В неразветвленных участках амилопектина остатки глюкозы соединены друг с другом связями (14), а в участках ветвления цепи – связями (16). При варке картофеля происходит экстракция амилозы горячей водой, так что, в вареном картофеле основную часть крахмала составляет оставшийся амилопектин. Гликоген – основной резервный полисахарид в клетках животных, т.е. его роль аналогична роли крахмала в клетках растений. Подобно амилопектину, гликоген – разветвленный полисахарид, состоящий из остатков D-глюкозы, связанных друг с другом (14)связями, но по сранению с амилопектином он значительно более разветвлен и компактен. В местах ветвления образуются (16)связи. В наибольшем количестве гликоген содержится в клетках печени, где на его долю приходится до 7 % общего веса органа; гликоген имеется также в скелетных мышцах. В желудочно-кишечном тракте гликоген и крахмал расщепляются амилазами. Многие полисахариды служат внеклеточными опорными элементами в стенках клеток одноклеточных микроорганизмов и высших растений, а также на внешней поверхности клеток животных. Другие полисахариды входят в состав соединительной ткани позвоночных и экзоскелета членистоногих. Структурные полисахариды защищают клетки. Существует большое число различных структурных полисахаридов. На примере одного из них, а именно целлюлозы, мы увидим, как специфическая молекулярная организация вещества может быть приспособлена для выполнения определенной биологической функции. Целлюлоза – прочное, волокнистое, водонерастворимое вещество – содержится в стенках клеток растений, главным образом в ветвях, стволах и других деревянистых частях растений. Если наиболее распространенные внутриклеточные биополимеры – это белки, то целлюлоза, бесспорно, это не только самый распространенный внеклеточный структурный полисахарид в растительном мире, но и вообще самый распространенный в природе биополимер. Целлюлоза является линейным, неразветвленным гомополисахаридом, состоящим из 10 000 и более остатков D-глюкозы, связанных друг с другом (14) гликозидными связями; в этом она схожа с амилозой и линейными участками цепей гликогена. Но между этими полисахаридами существует одно очень важное различие: в целлюлозе (14)связи имеют -конфигурацию, а в амилозе, амилопектине и гликогене -конфигурацию. Это, казалось бы, незначительное различие в строении целлюлозы и амилозы приводит к весьма существенным различиям в их свойствах. (14) гликозидные связи гликогена и крахмала легко гидролизуются -амилазой желудочно-кишечного тракта позвоночных, а образующаяся при этом D-глюкоза попадает в кровь и далее используется в энергетическом обмене. Что касается целлюлозы, то из-за -конфигурации связей ее полимерные цепи сильно вытянуты и соединяются друг с другом бок о бок, образуя длинные нерастворимые фибриллы. Связи (14) в молекуле целлюлозы не гидролизуются -амилазами. Поскольку в кишечнике позвоночных нет фермента, способного гидролизовать целлюлозу, она не переваривается и ее D-глюкозные остатки не могут служить пищей для большинства высших организмов. Однако, целлюлоза все же является ценным источником питания животных, т.к. она содержит различные активные группы и, кроме того, действует как на кишечник как ершик, т.е. способствует его чистке. Целлюлозу хорошо переваривают лишь термиты, но лишь потому, что в их кишечнике живут паразитические микроорганизмы, секретирующие целлюлазу, - гидролизующий целлюлозу фермент. Среди позвоночных только крупный рогатый скот и другие жвачные (овцы, козы, верблюды, жирафы и т.д.) могут использовать целлюлозу в качестве пищи, благодаря симбиозу с микроорганизмами, которые секретируют целлюлазу и расщепляют целлюлозу до D-глюкозы. Другим структурным полисахаридом является хитин, содержащийся в нерастворимых панцирях омаров, крабов, многих насекомых.
