Основные особенности метаболических процессов живых организмов.

Введение

Биологическая химия (биохимия) - наука о химическом составе и свойствах веществ живых организмов, о превращениях веществ и энергии в процессе жизнедеятельности.

До середины XIX века биохимия существовала как раздел физиологии и называлась физиологическая химия. Постепенно с накоплением биологических знаний, биохимия стала самостоятельным разделом физиологии, а затем во второй половине Х1Х века обособилась в самостоятельную науку. В зависимости от объектов исследования выделяют биохимию человека, биохимию животных, биохимию растений и биохимию микроорганизмов. По направленности исследований различают медицинскую, техническую, эволюционную биохимию, энзимологию и др.

Историческая справка. В истории развития биохимии как науки можно выделить несколько периодов.

1 период - с древних времен до эпохи Возрождения (ХУ век). Это период практического использования биохимических процессов без знания их теоретических основ и первых, очень примитивных исследований. Производства, основанные на биохимических процессах – хлебопечение, виноделие, сыроварение, дубление кож.

II период (ХУ—Х1Х вв.) - биохимия развивалась как раздел физиологии, в этот период шло усиленное накопление биохимических знаний.

III период в истории биохимии начался во второй половине ХIХ века, когда биохимия выделилась из физиологии как самостоятельная наука. Используя новые методы исследования, Ю. Либих определил состав многих пищевых продуктов, разделил входящие в них вещества на белки, углеводы и жиры. Л. Пастер доказал, что брожение вызывается микроорганизмами. Велика роль российских учёных в становлении и развитии биохимии. А.Я. Данилевский (1838-1923) сформулировал ряд положений, которые в дальнейшем легли в основу полипептидной теории строения белков разработанной Э. Фишером (нем.). К.А. Тимирязев разрабатывал биохимические вопросы фотосинтеза и минерального питания растений. М.С. Цвет разработал метод хроматографического анализа с помощью которого ему удалось разделить пигменты фотосинтеза. Н.И. Лунин открыл витамины. Прянишников Д.Н. заложил основы учения об азотном обмене растений, раскрыл роль аммиака и амида аспарагина в этом процессе, создал основы советской агрохимии.

В XX веке большое число открытий привело к подлинному рассвету биохимии. Исследования А.Н. Баха с сотр. заложили основы учения о физиологической роли ферментов, что способствовало развитию технической биохимии в нашей стране. С.П.Костычев исследовал химизм спиртового брожения и анаэробной фазы дыхания что позволило ему сформулировать теорию о генетической связи дыхания и брожения. Т.Г. Морган сформулировал основные положения генной теории. Нобелевской премии были удостоены исследования О.Варбурга о природе окислительно-восстановительных ферментов, исследования Г.А.Кребса. биохимический реакций цикла ди- и трикарбоновых кислот (ц. Кребса, 1937).

Началом 1У этапа развития биохимии можно считать расшифровку строения нуклеиновых кислот Д. Уотсоном и Ф.Криком (1953), что дало толчок к бурному развитию нового направления – молекулярной биологии. Во второй половине ХХ в М.Кальвином с сотр. были расшифрованы реакции темновой фазы фотосинтеза (цикл Кальвина), открыты С4- и САМ-типы фотосинтеза (цикл Хетча Слэка).П. Митчеллом была разработана хемиосмотическая теория образования АТФ в митохондриях путем окислительного фосфорилирования. В настоящее время в биохимических исследованиях активно используются физические, физико-химические и математические методы изучения процессов превращения веществ и энергии передачи наследственных признаков в живых организмах. на молекулярном и клеточном уровнях.

Фундаментальные исследования в области энзимологии, химии белков, липидов, углеводов, идентификация молекулярных механизмов основных обменных процессов, а также структур и функций генома, вывели биохимию на уровень основной количественной биологической науки.

 

Биохимия сельскохозяйственных растений изучает особенности химического состава и обмена веществ отдельных групп сельскохозяйственных растений, а также влияние агротехнических приемов на процессы обмена веществ и качество урожая с.-х. культур. Она тесно связана с другими сельскохозяйственными науками – агрохимией, растениеводством, защитой растений, селекцией растений, биохимией животных и др. направлениями.

 

Классификация белков

Простые белки (протеины) разделяют по растворимости их в определенных растворителях:

· Альбумины растворяются в воде.

· Глобулины – белки, растворимые в слабых растворах нейтральных солей.

· Проламины хорошо растворимы в 60-80%-ном этаноле, характерны исключительно для семян злаков, они бедны незаменимыми аминокислотами, но содержат много пролина и глутаминовой кислоты

· Глютелины хорошо растворимы в щелочных растворах (0,2-2,0% NаОН. Запасные белки растений, содержатся в семенах злаков, совместно с проламинами составляют клейковину – комплекс запасных белков злаковых культур.

· Гистоны - белки щелочного характера, играют важную роль в структуре хроматина (до 40-50% от массы хромосом, содержат много основных аминокислот - арг, лиз)

Сложные белки (устаревшее название протеиды) классифицируют по химизму небелковой (простетической) части молекулы.

· Липопротеины – простетической группой являются различные жироподобные вещества. Входят в состав клеточных мембран.

· Металлопротеины – комплексы ионов металлов с белками. В составе металлопротеинов часто встречаются: Cu, Fe, Zn, Mo, Mn, Ni, Se, Ca и др.

· Гликопротеины - содержат углеводный компонент. Входят в состав мембран (рецепторная функция, защитная – лектины, реакция агглютинации).

· Нуклеопротеины - соединение белков с нуклеиновыми кислотами (рибосомы, хромосомы).

·. Хромопротеины - сложные белки, у которых небелковой частью оказываются окрашенные соединения, например, Fe-порфириновые структуры; «желтые дыхательные ферменты», (флавиновые дегидрогеназы, в состав которых входят окрашенные коферменты ФАД - флавинадениндинуклеотид и ФМН - лавинаденинмононуклеотид; гемоглобин крови и др.

Ферменты

Ферменты или энзи́мы ( от лат. fermentum,— закваска ) - специфические катализаторы белковой природы, ускоряющие течение биохимических реакций и играющие важнейшую роль в обмене веществ.

Общие ( 1-2) и специфические (3-6) свойства ферментов

1. Они не расходуются в процессе катализа и не входят в состав конечных продуктов реакции, выходят из реакции в первоначальном виде.
2. Они не могут возбудить реакции, противоречащие законам термодинамики, т.е., они ускоряют только те реакции, которые могут протекать без них.
3. По химической природе все ферменты – белки.
4. Эффективность ферментов значительно выше по сравнению с катализаторами небиологической природы. 1 моль Fe за 1 мин разлагает 10^-5 моль Н₂О₂, а каталаза, содержащая атом Fe - 10⁵ моль.)
5. Регулируемость. Активность ферментов, скорость ферментативных реакций регулируется в зависимости от потребностей самой клетки.
6. Специфичность. Они обладают избирательностью действия на субстраты, т.е., на те вещества, превращение которых они катализируют. Специфичность ферментов может быть абсолютной (уреаза) или относительной (протеазы). Специфичность лежит в основе международной классификации ферментов.

Строение ферментов

Ферменты являются глобулярными белками, их молекулы могут быть представлены как простыми, так и сложными белками. В первом случае ферменты называют однокомпонентными, а во втором – двухкомпонентными. Белковая часть двухкомпонентных ферментов называется апоферментом, а небелковый компонент - коферментом. Соединение белковой части и небелковой части фермента может осуществляться за счет ионных, водородных связей, гидрофобных взаимодействий, реже - с помощью ковалентных связей. В качестве коферментов могут служить производные нуклеотидов и витаминов (НАДФ, ФАД, ФМН, АТФ, УТФ и др.), металлы (Fe, Cu, Mg, Mn, Zn, Mo), а также др. соединения небелковой природы, например, липоевая к-та, глутатион.

Кофакторы (активаторы) - вещества небелковой природы (часто металлы - К, Са, Mg, Mn, Zn, Mo, Cl), усиливают каталитическую активность ферментов, стабилизируя структуру белковой части фермента. Ингибиторы - вещества, подавляющие активность ферментов; они частично или полностью препятствуют образованию фермент-субстратного комплекса (яды, лекарственные препараты, ионы тяжелых металлов и др.).

В ходе ферментативной реакции осуществляется контакт между ферментом (E) и субстратом (S), образуются промежуточные фермент-субстратные комплексы (ES). Область ферментативной молекулы, в которой происходит связывание, и превращение субстрата называется активным центром. Активный центр расположен в углублении на поверхности молекулы фермента.

 

 

Классификация ферментов

Согласно международной классификации, принятой в 1961 г, все ферменты разделяют на 6 классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций.

1.Оксидоредуктазы, катализирующие реакции окисления или восстановления (перенос иона водорода и электрона). Оксидоредуктазы, катализирующие, отщепление и перенос ионов водорода и электронов с одного субстрата на другой, называют дегидрогеназами.

R¢ H₂ + R^² ® R¢ + R^²H₂

Оксидазами называют ферменты, для которых акцептором Н⁺ и е^- служит О₂ (цитохромоксидаза, полифенолоксидазы, пероксидаза, аскорбатоксидаза, каталаза и др.).

RH₂ + 1/2 O₂ à R + H₂O (оксидазы)

RH₂ + H₂O₂ à R +2H₂O (пероксидазы)

2. Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ. АХ +В à А + ВХ, Глю + АТФ àглю-Ф + АДФ

3. Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей, например: липазы, протеиназы, амилазы, нуклеазы. R¢ R^² + H₂O à R¢ -OH + R^² -H

4. Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов. Лиазы способны катализировать и обратную реакцию — присоединение по двойным связям, например, карбоксилазы и декарбоксилазы.

5. Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата. ФГА à ФДА, глю-6-Ф ® фру-6-Ф

6. Лигазы, ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений. Синтетазы катализируют реакции образования амидов, биополимеров: белков, олиго - и полисахаридов, нуклеиновых кислот и др.

Введение

Биологическая химия (биохимия) - наука о химическом составе и свойствах веществ живых организмов, о превращениях веществ и энергии в процессе жизнедеятельности.

До середины XIX века биохимия существовала как раздел физиологии и называлась физиологическая химия. Постепенно с накоплением биологических знаний, биохимия стала самостоятельным разделом физиологии, а затем во второй половине Х1Х века обособилась в самостоятельную науку. В зависимости от объектов исследования выделяют биохимию человека, биохимию животных, биохимию растений и биохимию микроорганизмов. По направленности исследований различают медицинскую, техническую, эволюционную биохимию, энзимологию и др.

Историческая справка. В истории развития биохимии как науки можно выделить несколько периодов.

1 период - с древних времен до эпохи Возрождения (ХУ век). Это период практического использования биохимических процессов без знания их теоретических основ и первых, очень примитивных исследований. Производства, основанные на биохимических процессах – хлебопечение, виноделие, сыроварение, дубление кож.

II период (ХУ—Х1Х вв.) - биохимия развивалась как раздел физиологии, в этот период шло усиленное накопление биохимических знаний.

III период в истории биохимии начался во второй половине ХIХ века, когда биохимия выделилась из физиологии как самостоятельная наука. Используя новые методы исследования, Ю. Либих определил состав многих пищевых продуктов, разделил входящие в них вещества на белки, углеводы и жиры. Л. Пастер доказал, что брожение вызывается микроорганизмами. Велика роль российских учёных в становлении и развитии биохимии. А.Я. Данилевский (1838-1923) сформулировал ряд положений, которые в дальнейшем легли в основу полипептидной теории строения белков разработанной Э. Фишером (нем.). К.А. Тимирязев разрабатывал биохимические вопросы фотосинтеза и минерального питания растений. М.С. Цвет разработал метод хроматографического анализа с помощью которого ему удалось разделить пигменты фотосинтеза. Н.И. Лунин открыл витамины. Прянишников Д.Н. заложил основы учения об азотном обмене растений, раскрыл роль аммиака и амида аспарагина в этом процессе, создал основы советской агрохимии.

В XX веке большое число открытий привело к подлинному рассвету биохимии. Исследования А.Н. Баха с сотр. заложили основы учения о физиологической роли ферментов, что способствовало развитию технической биохимии в нашей стране. С.П.Костычев исследовал химизм спиртового брожения и анаэробной фазы дыхания что позволило ему сформулировать теорию о генетической связи дыхания и брожения. Т.Г. Морган сформулировал основные положения генной теории. Нобелевской премии были удостоены исследования О.Варбурга о природе окислительно-восстановительных ферментов, исследования Г.А.Кребса. биохимический реакций цикла ди- и трикарбоновых кислот (ц. Кребса, 1937).

Началом 1У этапа развития биохимии можно считать расшифровку строения нуклеиновых кислот Д. Уотсоном и Ф.Криком (1953), что дало толчок к бурному развитию нового направления – молекулярной биологии. Во второй половине ХХ в М.Кальвином с сотр. были расшифрованы реакции темновой фазы фотосинтеза (цикл Кальвина), открыты С4- и САМ-типы фотосинтеза (цикл Хетча Слэка).П. Митчеллом была разработана хемиосмотическая теория образования АТФ в митохондриях путем окислительного фосфорилирования. В настоящее время в биохимических исследованиях активно используются физические, физико-химические и математические методы изучения процессов превращения веществ и энергии передачи наследственных признаков в живых организмах. на молекулярном и клеточном уровнях.

Фундаментальные исследования в области энзимологии, химии белков, липидов, углеводов, идентификация молекулярных механизмов основных обменных процессов, а также структур и функций генома, вывели биохимию на уровень основной количественной биологической науки.

 

Биохимия сельскохозяйственных растений изучает особенности химического состава и обмена веществ отдельных групп сельскохозяйственных растений, а также влияние агротехнических приемов на процессы обмена веществ и качество урожая с.-х. культур. Она тесно связана с другими сельскохозяйственными науками – агрохимией, растениеводством, защитой растений, селекцией растений, биохимией животных и др. направлениями.

 

Основные особенности метаболических процессов живых организмов.

Обмен веществ (метаболизм) живой клетки - это совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих потоков реакций - катаболических (катаболизм, диссимиляция) и анаболических (анаболизм, ассимиляция).

Катаболизм (диссимиляция) – это процесс расщепления крупных молекул – углеводов, липидов, белков до простых соединений, происходящий в результате гидролитических реакций и окисления. В ходе расщепления крупных органических молекул до простых соединений выделяется энергия, которая запасается главным образом в богатых энергией фосфатных связях молекул АТФа также других макроэргических (богатых энергией) соединений.

Анаболизм (ассимиляция) – это ферментативный синтез сложных молекул из простых молекул-предшественников Автотрофные организмы (зелёные растения и некоторые бактерии) могут осуществлять первичный синтез органических соединений из СО₂ с использованием энергии солнечного света (фотосинтез) или энергии окисления неорганических веществ. Гетеротрофы синтезируют органические соединения только за счёт энергии и продуктов, образующихся в результате катаболических превращений.