ЛЕКЦИЯ 1 Предмет и задачи биохимии Основные разделы

ЛЕКЦИЯ 1 Предмет и задачи биохимии. Основные разделы биохимии. Углеводы (моносахариды)

План лекции • • • Предмет и задачи биохимии Биохимические особенности живых организмов. Химический состав живых организмов. Гомеостаз. Понятие об углеводах. Моносахариды. Производные моносахаридов

Биохи мия — наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности. • Термин «биохимия» был предложен и введён в научную среду в 1903 г. немецким химиком Карлом Нойбером. Carl Neuberg

Задачи биохимии • Определение на молекулярном уровне природы всех химических процессов, связанных с жизнедеятельностью клеток. • Выяснение вопроса о происхождении жизни. • Поиск эффективных путей управления обменом веществ, поскольку состояние обмена веществ определяет норму и патологию.

Знание биохимии необходимо для успешного развития двух главных направлений биомедицинских наук: • Решение проблем сохранения здоровья человека • Выяснение причин различных болезней и изыскание путей их эффективного лечения.

Биохимия – биологическая наука, которая располагается на стыке точных наук, изучающих физические и химические явления, и чисто биологических дисциплин. • Биохимические процессы, протекающие в живом организме, полностью подчиняются всем известным физическим и химическим законам. Биохимия показывает, как на основе элементарных физических и химических явлений возникает качественно новое состояние материи – биологическая функция.

Биохимия - статическая, динамическая, функциональная • В функциональной биохимии изучают особенности протекания биохимических процессов при различных функциональных состояниях организма (медицинская биохимия, биохимия спорта и др. ). • Медицинская биохимия исследует закономерности биохимических превращений в организме человека в процессе развития патологических реакций.

Средневековье Ибн-Сина, Абу Али Хусейн ибн Абдаллах (латинизированное Авиценна) (около 980— 1037) • • Ученый, философ, врач, музыкант и визирь при разных правителях. Оставил множество сочинений по медицине, между которыми особенной известностью пользовался «Канон» . В своих работах связывал некоторые виды психической деятельности с определенными частями головного мозга, а при изучении причин многих заболеваний указывал на значение внешних факторов (в том числе и окружающей человека внешней среды). Авиценна в своей книге «Канон врачебной науки» подробно описал многие лекарственные вещества

• Великий итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи на основании интереснейших опытов сделал важный вывод о том, что живой организм способен существовать только в такой атмосфере, в которой может гореть пламя.

Закон сохранения масс (М. В. Ломоносов, А. Л. Лавуазье)

Уильям Праут автор классификации веществ на белки, жиры и углеводы. Иван Горбачевский одним из первых указал, что белки состоят из аминокислот.

А. М. Бутлеров Теория строения органических соединений (1961) Луи Пастер Изучение процессов брожения

Дж. Уотсон и Ф. Крик Описали структуру ДНК — ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки — молекулярной биологии.

А. С. Фаминцын, Д. И. Ивановский открыли вирусы А. С. Фаминцын Д. И. Ивановский

М. С. Цвет Хроматография Т. Сведберг Центрифугирование Нобелевская премия 1926 г.

А. Тизелиус Электрофорез Нобелевская премия, 1948 г.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) «здоровье состояние полного физического, духовного и социального благополучия, которое не сводится к простому отсутствию болезней и недомоганий”. • С биохимической точки зрения организм можно считать здоровым, если многие тысячи реакций, протекающих внутри клеток и во внеклеточной среде, идут в таких условиях и с такими скоростями, которые обеспечивают максимальную жизнеспособность организма и поддерживают физиологически нормальное (не патологическое) состояние.

Все болезни представляют собой проявление каких-то изменений в свойствах молекул и нарушений хода химических реакций и процессов. • Основные факторы, приводящие к развитию болезней у животных и человека, оказывают влияние на одну или несколько ключевых химических реакций или на структуру и свойства функционально важных молекул.

Биохимические исследования позволяют: • выявить причину болезни; • предложить рациональный и эффективный путь лечения; • разработать методики для массового обследования населения с целью ранней диагностики; • следить за ходом болезни; • контролировать эффективность лечения.

Живые организмы подчиняются законам термодинамики. • Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. • Следовательно, живые организмы не могут ни создавать энергию из ничего, ни уничтожать ее, они могут только преобразовывать одну форму энергии в другую.

Первая аксиома молекулярной логики живого : • живые организмы создают и поддерживают присущую им упорядоченность за счет внешней среды, степень упорядоченности которой в результате этого уменьшается.

Вторая аксиома молекулярной логики живого • клетка - неравновесная открытая система, машина для извлечения из внешней среды свободной энергии, в результате чего происходит возрастание энтропии среды.

Третья аксиома молекулярной логики живого: • живая клетка является изотермической химической машиной.

• Живая клетка - это открытая изотермическая система, обладающая способностью к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению. Эта система состоит из большого числа связанных друг с другом реакций, ускоряемых органическими катализаторами, которые производит сама клетка; клетка действует по принципу максимальной экономии составных частей и процессов.

Биомолекулы • • Углеводы Белки Липиды Нуклеиновые кислоты

Углеводы • Углеводы - вещества с общей формулой (СН 2 О)y, а также производные этих соединений. • Все углеводы являются либо альдегидными, либо кетонными производными многоатомных спиртов. • Углеводы подразделяются на 3 главных класса - моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Классы углеводов • Моносахариды или простые сахара (состоят из одной полиоксиальдегидной или полиоксикетонной единицы). • Олигосахариды (содержат от 2 до 10 моносахаридных единиц, соединенных гликозидной связью). • Полисахариды (представляют собой очень длинные цепи, построенные из многих моносахаридных единиц, цепи которых могут быть как линейными, так и разветвленными)

Основные биологические функции углеводов • • • Энергетическая функция (главный вид клеточного топлива) Структурная функция (обязательный компонент большинства внутриклеточных структур). Защитная функция (участие углеводных компонентов иммуноглобулинов в поддержании иммунитета)

Моносахариды Альдозы Кетозы

Моносахариды • Простейшие моносахариды - это 3 углеродные триозы глицеральдегид и диоксиацетон. Сахара, имеющие 7 и более углеродных атомов, называются высшими сахарами. • Глицеральдегид представляет собой альдотриозу, а диоксиацетон - кетотриозу. При удлинении углеродной цепи триоз путем последовательного добавления атомов углерода получаются соответственно тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и октозы.

Изомерия • Все моносахариды (кроме дигидроксиацетона) содержат хиральные атомы углерода и имеют стереоизомеры • Изомеры – разные молекулы, имеющие одинаковую эмпирическую формулу – Энантиомеры (оптические, зеркальные изомеры, D- и L-изомеры) – Диастереомеры (геометрические изомеры) • Эпимеры (отличаются по конфигурации только одного хирального центра – глюкоза и манноза) • Аномеры (α-, β-изомеры)

Альдозы

Кетозы

Энантиомеры

Представители моносахаридов

Аномеры

Аномеры Мутаротация - взаимопревращения α- и β-изомеров

Цикло-оксо-таутомерия - равновесие между линейной и циклическими формами

Фураноза Лодка Пираноза Кресло

Химические свойства Восстановление • При восстановлении карбонильной группы альдоз образуются многоатомные спирты – глициты.

Химические свойства Окисление

Гликозиды - продукты замещения гликозидного гидроксила

Эфиры

Выводы • Углеводы по своей химической природе представляют собой полиоксиальдегиды или полиоксикетоны. • Углеводы подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды. • Моносахариды обладают изомерией. • В растворе моносахариды циклическую форму – фуранозную или пиранозную. • При окислении моносахариды образуют кислоты, при восстановлении - спирты.

Литература • • • Биохимия: Учебник /Под. ред. Е. С. Северина. - М. : ГЭОТАР-МЕД, 2003. - 784 с. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами / Под ред. Е. С. Северина, А. Я. Николаева. - М. : ГЭОТАР-МЕД, 2001. -448 с. Березов Т. Т. , Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. - М. : Медицина, 2008. - 704 с.