|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Предмет и задачи биологической химии. Обмен веществ и энергии,Стр 1 из 5Следующая ⇒
Предмет и задачи биологической химии. Обмен веществ и энергии, Иерархическая структурная организация и самовоспроизведение как важнейшие признаки живой материи.
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.
Важнейшим признаком всего живого является обмен веществ. Обмен веществ обеспечивает присущее живому организму как системе динамическое равновесие, при котором взаимно уравновешиваются синтез и разрушение, размножение и гибель. В основе реакций обмена веществ лежат физико-химические взаимодействия между атомами и молекулами, подчиняющиеся единым для живой и неживой материи законам. Сказанное означает, что сама возможность существования жизни, в первооснове своей, сводится к элементарным актам физико-химических процессов. Обмен веществ состоит из двух противоположных, одновременно протекающих процессов. Первый — анаболизм — объединяет все реакции, связанные с синтезом необходимых веществ, их усвоением и использованием для роста, развития и жизнедеятельности организма. Второй — катаболизм — включает реакции, связанные с распадом веществ, их окислением и выведением из организма продуктов распада. В целом же, обмен веществ представляет собой комплекс биохимических и энергетических процессов, обеспечивающих использование пищевых веществ для нужд организма и удовлетворения его потребностей в пластических и энергетических веществах.
Живой организм – сложная, упорядоченная иерархическая структурная организация. Уровень организации живой материи повышается в ходе эволюции.
Гетеротрофные и аутотрофные организмы: различия по питанию и Источникам энергии. Катаболизм и анаболизм.
Живые клетки постоянно нуждаются в органических и неорганических веществах, а также в химической энергии, которую они получают преимущественно из АТФ (АТР). По способу удовлетворении этих потребностей организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы, к которым принадлежат растения и многие микроорганизмы, могут синтезировать органические молекулы из неорганических предшественников в процессах хемо- и фотосинтеза. Автотрофы обеспечивают существование все других организмов на планете.
Гетеротрофы, например животные и грибы, зависят от получения органических веществ с пищей. Так как большая часть этих питательных веществ (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды) не могут утилизироваться непосредственно, они сначала разрушаются до более мелких фрагментов катаболическим путем. Возникающие метаболиты (в совокупности их называют иногда «пулом метаболитов») затем катаболизируются с высвобождением свободной энергии или используются в анаболических путях для синтеза более сложных молекул.
Процесс обмена веществ определяется двумя сопряженными процессами: анаболизма и катаболизма.
Анаболизм - совокупность химических процессов синтеза собственных органических соединений из полученных питательных веществ, идущий с потреблением энергии. В результате такого обмена из питательных веществ, поступающих в организм, строятся свойственные организму структурные молекулы, которые, в свою очередь, идут уже на создание новых функциональных единиц живого организма, что является основой ассимиляции.
Катаболизм - процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Катаболические реакции лежат в основе диссимиляции: утраты сложными веществами своей специфичности для данного организма в результате распада до более простых.
Многомолекулярные системы (метаболические цепи, мембранные Процессы, системы синтеза биополимеров, молекулярные Регуляторные системы) как основные объекты биохимического Исследования.
Биохимия - это наука изучающая химическую основу жизни как таковой. В её рамках изучаются все основные молекулярные процессы жизнедеятельности организма.
Метаболические цепи - процессы последовательных превращений исходного вещества, приводящие к образованию некоторого продукта. Все метаболические пути можно подразделить на анаболические и катаболические. Метаболическая цепь, состоящая из реакций, протекающих внутри одной системы, называется внутренней. Метаболическая цепь, реакции которой протекают в разных системах, называется межсистемной. Одно и то же вещество может участвовать в различных превращениях. В подобных случаях наблюдается пересечение различных метаболических цепей. Следствием такого пересечения является возникновение метаболической сети биологической системы. Понимание функционирования одного звена цепи позволяет проводить корректировку нарушений протекания определенного биохимического процесса в организме.
Мембранные процессы – это физико-химические процессы, происходящие на поверхности клеточных мембран. К ним относят: процессы активного транспорта веществ, проведение и передача биопотенциалов, рецепция и др. Изучение природы мембранных процессов позволяет на клеточном уровне понимать характер протекающих процессов жизнедеятельности и их патологию.
Система синтеза биополимеров – совокупность ферментативных механизмов, которые обеспечивают воспроизведение специфических для данного организма видов высокомолекулярных соединений. Биополимеры играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности организма. Поэтому особенно важно понимать суть процессов их воспроизведения.
Молекулярные регуляторные системы - системы, направленные на поддержание гомеостаза. Данная системы включают в себя ряд биохимических процессов. Нарушение хотя бы одного звена в системе поддержания гомеостаза, способно вызвать необратимые изменения, которые могут привести к гибели организма.
Уровни структурной организации живого. Биохимия как молекулярный Уровень изучения явлений жизни. Биохимия и медицина (медицинская Биохимия).
Жизнь имеет следующие уровни организации:
Молекулярный уровень - отражает особенности химизма живого вещества, а также механизмы и процессы передачи генной информации
Клеточный и субклеточный уровни - отражают особенности специализации клеток, а также внутриклеточные структуры. На этом уровне происходят процессы жизнедеятельности (обмен веществ, питание, дыхание, раздражимость и т. д.)
Молекулярный уровень выступает основой для всей жизнедеятельности любого организма на планете, это уровень функционирования биологических макромолекул - биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов, стероидов. На молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедеятельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии, формирование биопотенциалов клетки. С помощью молекулярного уровня осуществляется передача наследственной информации, образуются отдельные органоиды, происходят ферментативные процессы. Понимание химических процессов, происходящих в организме – является одной из ключевых задач биологической химии, поэтому она выступает на молекулярном уровне организации живого.
Биохимия оказывает все более глубокое воздействие на медицину. Так, например, определение активности ферментов играет в настоящее время важную роль в клинической диагностике. Содержание определенных ферментов в сыворотке крови может служить ценным критерием при диагностике недавно перенесенного инфаркта миокарда. Кроме того, биохимия постепенно создает основу для рационального назначения лекарственных препаратов. Исключительную важность представляет выяснение молекулярных механизмов некоторых заболеваний, например серповидно-клеточной анемии или большого числа врожденных нарушений метаболизма, исследованных к настоящему времени. Быстрое развитие биохимии в последние годы позволило исследователям приступить к изучению самых острых, коренных проблем биологии и медицины.
Разных животных).
Что есть первичная структура, как не чертеж, не сценарий, для белка? Знаки и символы - есть аминокислоты, что построены в определеном порядке и от этого отталкивается когда формирует третичную структуру. Третичная структура формирует активный центр, а именно он обеспечивает взаимодействие с лигандам, т.е. к выполнению функций белка.
Видовая специфичность обеспечивается за счет различий в последовательности аминокислот в первичной структуре белка. Пример инсулина выше.
9. Конформация пептидных цепей в белках (вторичная и третичная Цепи; дисульфидные связи.
Конформация белка есть определенная пространственная структура белка образующаясь за счет взаимодействия функциональных групп аминокислот. Различают два основных вида конформации - вторичная и третичная структура. Вторичная структура имеет два основных представителя - альфа спираль и бета-структура.
Альфа-спираль - вторичная структура, она формируется за счет водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами водорода аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. На один виток спирали приходится 3, 6 аминокислотных остатка. В образовании участвуют практически все атому водорода и кислорода пептидных групп. Связи сами по себе слабые, но их много.
Бета-структура -также вторичная структура, формирующаясь за счет образования множества водородных связей между атомами пептидных цепи, делающей изгибы, или между разными полипептидными цепями. Структура образует фигуру, подобную листу, сложенную " гармошкой" - бета-складчатый слой.
Третичная структура - трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействия между радикалами аминокислот, котроые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.
Виды связей:
Дисульфидные связи - ковалентная связь между SH-группами двух остатков цистеина.
Белка – гемоглобина.
После того, как белок достигает вершины своей белковой карьеры - третичной структуры, для дальнейшего продвижения ему нужны единомышленники, когда он их находит. то образуется четвертичная структура. Здесь участвуют такие же виды связей, как и при третичной структуре: гидроФОБНЫЕ, ионные, водородные. Отдельные полипептидные цепи в таком белке носят название протомеров или субъединицы. Если белок содержит своём составе несколько протомеровв называется... момент-момент... олигомерными.
Особенности строения на примере гемоглобина, что тут сказать, все очень интересно:
Но не в этом соль, тут другое. " Заводской" гемоглобин, без кислорода, очень-очень нехотя присоединяет первую молекулу О2. Присоединение кислорода к атому железа одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема. Так как протомер связан с остальными протомерами, а белки обладают конфомрационной лабильностью, происходит изменение конформации всего белка. Конформационные изменения, произошедшие в других протомерах, облегчают присоединение следующей молекулы кислорода, что вызывает новые конформационные изменения в белке и ускорение связывания следующей молекулы кислорода. Четвёртая молекулы О2 присоединяется в 400 раз легче, чем первая.
13. Лабильность пространственной структуры белков и их денатурация. Семейство сериновых протеаз
К семейству родственных белков относят сериновые протеазы. Это семейство ферментов, которые используют уникально активированный остаток серина, расположенный в активном центре, для связывания и каталитического гидролиза пептидных связей в белковых субстратах. Мишени для сериновых протеаз - специфические пептидные связи в белках (часто в других сериновых протеазах).
Для всех белков этого семейства характерно наличие в активном центре остатков Сер195, Гис57, Асп102 (эту нумерацию используют независимо от их точного расположения в первичной структуре определённых сериновых протеаз).
Семейство иммуноглобулинов
Иммуноглобулины, или антитела, - специфические белки, вырабатываемые В-лимфоцитами в ответ на попадание в организм чужеродных структур, называемых антигенами. В организме человека вырабатывается около 107 клонов В-лимфоцитов, каждый из которых специализирован на выработке одного из 107 видов иммуноглобулинов.
Молекула IgG состоит из четырёх полипептидных цепей: двух идентичных лёгких (L - от англ. light), содержащих около 220 аминокислотных остатков, и двух тяжёлых (Н - от англ. heavy), состоящих из 440 аминокислот каждая. Все 4 цепи соединены друг с другом множеством нековалентных и четырьмя дисульфидны-ми связями. Поэтому молекулу IgG относят к мономерам.
Классы иммуноглобулинов. Существует 5 классов тяжёлых цепей иммуноглобулинов, отличающихся по строению константных доменов: α, δ, ε, γ и μ. В соответствии с ними различают 5 классов иммуноглобулинов: A, D, E, G и M. Особенности строения тяжёлых цепей придают их «шарнирным участкам» и С-концевым областям характерную для каждого класса кон-формацию. Связывание антигена с антителом изменяет конформацию константных доменов тяжёлых цепей, что определяет путь разрушения комплекса в организме (связывание с белками системы комплемента или поглощение комплекса фагоцитирующими клетками).
Суммарный заряд белков
Белки имеют в своём составе радикалы лизина, аргинина, гистидина, глутаминовой и аспара-гиновой кислот, содержащие функциональные группы, способные к ионизации (ионогенные группы). Кроме того, на N- и С-концах полипептидных цепей имеются α -амино- и α -карбок-сильная группы, также способные к ионизации. Суммарный заряд белковой молекулы зависит от соотношения ионизированных анионных радикалов Глу и Асп и катионных радикалов Лиз, Арг и Гис.
Степень ионизации функциональных групп этих радикалов зависит от рН среды. При рН раствора около 7 все ионогенные группы белка находятся в ионизированном состоянии. В кислой среде увеличение концентрации протонов (Н+) приводит к подавлению диссоциации карбоксильных групп и уменьшению отрицательного заряда белков: -СОО- + Н+ → -СООН. В щелочной среде связывание избытка ОН- с протонами, образующимися при диссоциации NH3+ с образованием воды, приводит к уменьшению положительного заряда белков:
Растворимость белков
Растворимость белков в воде зависит от всех перечисленных выше свойств белков: формы, молекулярной массы, величины заряда, соотношения полярных и неполярных функциональных групп на поверхности белка. Кроме этого, растворимость белка определяется составом растворителя, т.е. наличием в растворе других растворённых веществ. Например, некоторые белки легче растворяются в слабом солевом растворе, чем в дистиллированной воде. С другой стороны, увеличение концентрации нейтральных солей может способствовать выпадению определённых белков в осадок. Денатурирующие агенты, присутствующие в растворе, также снижают растворимость белков.
Высаливание Метод очистки белков, основанный на различиях в их растворимости при разной концентрации соли в растворе. Соли щелочных и щё-лочно-земельных металлов вызывают обратимое осаждение белков, т.е. после их удаления белки вновь приобретают способность растворяться, сохраняя при этом свои нативные свойства. Гель - фильтрация, или метод молекулярных сит Для разделения белков часто используют хро-матографические методы, основанные на распределении веществ между двумя фазами, одна из которых подвижная, а другая неподвижная. В основу хроматографических методов положены разные принципы: гель-фильтрации, ионного обмена, адсорбции, биологического сродства. Электрофорез белков
Метод основан на том, что при определённом значении рН и ионной силы раствора белки двигаются в электрическом поле со скоростью, пропорциональной их суммарному заряду. Белки, имеющие суммарный отрицательный заряд, двигаются к аноду (+), а положительно заряженные белки - к катоду (-).
Электрофорез проводят на различных носителях: бумаге, крахмальном геле, полиакрила-мидном геле и др. В отличие от электрофореза на бумаге, где скорость движения белков пропорциональна только их суммарному заряду, в полиакриламидном геле скорость движения белков пропорциональна их молекулярным массам.
Ионообменная хроматография
Так же как и электрофорез, метод основан на разделении белков, различающихся суммарным зарядом при определённых значениях рН и ионной силы раствора. При пропускании раствора белков через хроматографическую колонку, заполненную твёрдым пористым заряженным материалом, часть белков задерживается на нём в результате электростатических взаимодействий.
В качестве неподвижной фазы используют ионообменники - полимерные органические вещества, содержащие заряженные функциональные группы.
СПЕЦИЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ. Специфичность действия – способность фермента катализировать превращение субстрата по одному из возможных путей превращений. После первой каталитической реакции, в дальнейшем фермент будет катализировать только по ней.
Субстратная специфичность – способность фермента узнавать, связывать и катализировать превращение только определенных субстратов- в свою очередь делится на три вида: абсолютная, групповая, стереохимическая. - Абсолютная специфичность - способность фермента катализировать превращение только одного единственного субстрата. Примеры таких ферментов: аргиназа - расщепляет аргинин, уреаза - катализирует распад мочевины. - Групповая специфичность характеризуется способностью фермента воздействовать на определенный тип каталитической связи в субстрате. Примеры: пепсин расщепляет пептидные связи в растительных и животных белках, липаза катализирует гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты взаимодействуя на сложноэфирные связи. В основном групповая специфичность проявляется в процессах пищеварения. - Стереохимическая специфичность - способность фермента катализировать реакции только со специфическим стероизомером. Пример: оксидаза L и D-аминокислот.
Платообразная зависимость.
Колокообразная зависимость.
При резких сдвигах от оптимума рН среды ферменты могут подвергаться конформационным изменениям, приводящим к потере активности вследствие денатурации или изменения заряда молекулы фермента. При разных значениях рН среды активный центр может находиться в частично ионизированной или неионизированной форме, что сказывается на третичной структуре белка и соответственно на формировании активного фермент-субстратного комплекса.
Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры, понятие о температурном оптимуме.
Скорость каталитической реакции зависит от фермент, когда активность последнего зависит от температуры.
Правило Вант-Гофф, скорость биохимической реакций повышается в два раза при увеличении реакции температуры на 10 градусов по Цельсия, также эта зависимость действует и в обратном порядке.
Температурный оптимум – это значение температуры, при котором скорость реакций, катализируемых ферментом максимальна.
Однако при температуре выше 50 градусов по Цельсию начинает падать скорость катализируемой реакции из-за тепловой денатурации.
Для человека, теплокровных, значение температурного оптимума лежит в пределах 40 градусов по Цельсию.
Если концентрацию ферментов оставить постоянной, изменяя только количество субстрата, то график скорости ферментативной реакции описывают гиперболой.
При увеличении количества субстрата начальная скорость возрастает. Когда фермент становиться полностью насыщенным субстратом, т.е. происходит максимальное возможное при данной концентрации фермента формирование фермент-субстратного комплекса, наблюдают наибольшую скорость образования продукта. Дальнейшее повышение концентрации субстрата не приводит к увеличению образования продукта, т.е. скорость не возрастает.
Константа Михаэлиса.
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
Ингибиторы ферментов.
Ингибиторы – вещества, понижающие активность фермента. По специфичности выделяют специфичные и неспецифичные ингибиторы По обратимости эффекта различают обратимые и необратимые ингибиторы. По месту действия встречаются ингибиторы, действующие на активный центр и вне активного центра. По механизму действия различают на конкурентные и неконкурентные ингибиторы.
Сигнала.
Фосфолирирование - дефосфолирирование ферментов относится к обратимой модификации ферментов. Присоединение Н3РО4 чаще всего резко увеличивает активность фермента. Например, два неактивных димера фермента фосфорилазы соединяются с четырьмя молекулами АТФ и образуют активную тетрамерную фосфорилированную форму фермента. Фосфолирирование ферментов может сочетаться с изменением их олигомерности. В некоторых случаях фосфорилирование фермента, наоборот, снижает его активность (например, фосфорилирование фермента гликогенсинтетазы) Уровень активности ключевых ферментов обмена углеводов и соответственно интенсивность и направленность самих процессов обмена определяются соотношением фосфорилированных и дефосфорилированных форм этих ферментов.
Под действие рецептора активизируется фермент аденилатцикалаза, которая катализирует превращение АТФ в цАМФ. Образующая цАМФ активирует протеинкиназу А, которая фосфорилирует другие белки и ферменты.
Развития.
В зависимости от функции органа и тканей, состав будет различать, этим можно объясн ить органоспецифичность ферментов. Пример: Печень - гликогенсинтетаза. Желудок - пепсин, гастрин. Поджелудоная - липаза, трипсин, амилиза поджелудочная.
Примером может быть то, что во время онтогенеза и до трех месяцев вместо пепсина вырабатывается ринин Не работаю ферменты дыхательной системы. Перенос кислорода происходит за счет организма матери.
Иммобилизованные ферменты. Энзипотерапия – использование ферментов с лечебной целью. Используют при:
Использование ферментов в качестве избирательных реагентов для открытия и количественного определения нормальных или аномальных химических веществ в сыворотке крови, моче, желудочном соке и др. (например, выявление при помощи ферментов глюкозы, белка или других веществ в моче, в норме не обнаруживаемых). Другой путь – открытие и количественное определение самих ферментов в биологических жидкостях при патологии. Оказалось, что ряд ферментов появляется в сыворотке крови при распаде клеток (отсюда их название «некротические ферменты»). Для диагностики органических и функциональных поражений органов и тканей широко применяются отдельные ферментные тесты, выгодно отличающиеся от других химических диагностических тестов, используемых в клинике, высокой чувствительностью и специфичностью. Известно около 20 тестов, основанных на количественном определении активности ферментов(и изоферментов), главным образом в крови (реже в моче), а также в биоптатах (кусочки тканей, полученные при биопсии). Следует отметить, что из огромного числа ферментов (более 3500), открытых в природе (частично и в организме человека), в диагностической энзимологии используется лишь ограниченный набор ферментов и для весьма небольшого числа болезней (гепатиты, инфаркт миокарда, органические поражения почек, поджелудочной железы, печени и др.). Так, уровень липазы, амилазы, трипсина и химотрипсина в крови резко увеличен при сахарном диабете, злокачественных поражениях поджелудочной железы, болезнях печени и др. Резко повышается в сыворотке крови уровень двух аминотрансфераз, креатинкиназы (и ее изоформ) и лактатдегидрогеназы (и ее изоформ) при инфаркте миокарда; умеренно повышено их содержание при поражениях тканей мозга и печени. Определяют, кроме того, активность кислой фосфатазы (уровень повышен при карциноме предстательной железы), щелочной фосфатазы, холинэсте-разы и некоторых других органоспецифических ферментов (например, гистидазы, уроканиназы, глицинамидинотрансферазы) в сыворотке крови при патологии костной ткани, печени, метастатических карциномах и т. д.
Иммобилизованными ферментами называют ферменты, искусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраняющие свои каталитические свойства. Иммобилизованные ферменты имеют ряд преимуществ в сравнении со свободными молекулами: 1.Такие ферменты представляют собой гетерогенные катализаторы, легко отделяющиеся от реакционной среды; 2. Могут использоваться многократно; 3.Обеспечивают непрерывность каталитического процесса. В медицине иммобилизованные ферменты используются также как лекарственные препараты, особенно в тех случаях, когда необходимо локальное воздействие. Кроме того, биокатализаторы широко используются в различных аппаратах для перфузионной очистки различных биологических жидкостей.
Предмет и задачи биологической химии. Обмен веществ и энергии, Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 1238; Нарушение авторского права страницы
