Рекомендована література 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Н. О. Сибірна “Механізми біохімічних реакцій”, Львів: Видавничий центр ЛНУ ім. Івана Франка, 2009, 2011. Ю. А. Овчинников “Биоорганическая химия”, “Просвещение”, 1987. Н. І. Штеменко “Органічна хімія та основи статичної біохімії” , Дніпропетровськ, 2003. А. Ленинджер “Основы биохимии” (в трёх томах ), Москва, “Мир”, 1985…………( Є український варіант за редакцією академіка С. В. Комісаренка). Р. Бохински ”Современные воззрения в биохимии”, Москва, “Мир”, 1987. Ю. І. Губський “Біологічна хімія”, Київ -Тернопіль, Укрмедкнига, 2000. Я. І. Гонський , Т. Л. Максимчук “Біохімія людини”, Тернопіль, Укрмедкнига, 2001.
Історія розвитку біоорганічної хімії Хімічна структура компонентів клітини
"Я заклинаю вас звернути увагу на священні храми, які називаються лабораторіями. Відкривайте нові лабораторії, адже саме вони стануть запорукою нашого майбутнього процвітання та благоденства. Лише тут людство буде рости, міцніти та ставати кращим. Саме тут, на творіннях природи, людство зможе навчитися гармонії, спільному і особистому прогресу, у той час, як творіння самої людини – це найчастіше лише варварство, фанатизм і руйнування. - Луї Пастер
План лекції 1. Періоди розвитку біоорганічної хімії. 2. Предмет та завдання біоорганічної хімії. 3. Основні положення молекулярної логіки живого. 4. Хімічна будова та ієрархія компонентів клітини.
Періоди розвитку біоорганічної хімії I. Передісторія ( з давніх часів до XV ст. )- накопичення практичного досвіду (технології хімічної обробки речовин біологічного походження , вивчення їхніх хімічних властивостей ) та формування наукових понять здійснювалися відокремлено.
Періоди розвитку біоорганічної хімії ІІ. Період бурхливого накопичення фактів і спроби застосування наукових надбань для вивчення живого (XV-початок ХІХ ст. ) - досліджується елементарний та речовинний склад живого (роботи К. Шеєле, К. Бернара, К. С. Кірхгофа, М. Шевреля, А. Бракконе, Ф. Мішера)
Періоди розвитку біоорганічної хімії ІІІ. Період становлення і розвитку ( друга половина ХІХ – перша половина ХХ ст. ) - біохімія виділилася у самостійну науку. У 1903 році К. Нейберг ввів термін “біохімія”
Нейберг - (Neuberg) Карл (1877 -1956) - німецький біохімік. Основні праці стосуються обміну вуглеводів, бродіння, ферментів. Встановив ключове положення піровиноградної кислоти у вуглеводному обміні. Відкрив фруктозо-6 -фосфат (ефір Нейберга), ряд ферментів.
- вивчається структура біомолекул: • • білків (Е. Фішер, О. Данилевський); нуклеїнових кислот (А. Косель, А. Альтман, О. Білозерський); вуглеводів (Е. Фішер); ліпідів і вітамінів ( О. Палладін) - розроблено основні положення ферментативного каталізу: (Е. Фішер, Е. Бухнер) - створено теорію біологічного окиснення: (О. Бах, О. Палладін) - з’ясовано роль макроергічних сполук (В. Енгельгард, А. Сент-Дьордьї, В. Беліцер) - відкриті основні проміжні продукти та шляхи обміну речовин ( Г. Кребс, І. Горбачевський, Я Парнас)
Періоди розвитку біоорганічної хімії IV. Сучасний період (із 40 -х років ХХ століття до наших днів. - характеризується активною інтеграцією методів точних наук для пояснення молекулярних механізмів біологічних процесів
План лекції 1. Періоди розвитку біоорганічної хімії. 2. Предмет та завдання біоорганічної хімії. 3. Основні положення молекулярної логіки живого. 4. Хімічна будова та ієрархія компонентів клітини.
Предмет та завдання біоорганічної хімії. • Біоорганічна хімія вивчає будову найважливіших компонентів живої матерії, в першу чергу біополімерів і низькомолекулярних біорегуляторів, приділяючи основну увагу з’ясуванню закономірностей взаємозв’язку між структурою і функцією, тобто біологічною дією. Це по суті хімічний фундамент сучасної біології і медицини. • Об’єктом вивчення біоорганіки є білки, пептиди, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди, біополімери змішаного характеру - ліпопротеїни, глікопротеїни, гліколіпіди і т. д. , а також алкалоїди, вітаміни, гормони, антибіотики… • Методи досліджень представлені методами органічної хімії, користуються фізичними, математичними, фізико-хімічними. • Основні завдання біоорганічної хімії полягають у виділенні у чистому вигляді речовин, які досліджуються , для вивчення їхньої структури та функції для з’ясування молекулярної логіки живих організмів
Основні задачі біоорганічної хімії • Основні задачі біоорганічної хімії – вивчення молекулярної логіки живих організмів. • Понад 20 мільярдів років тому відбувся надпотужний вибух і весь простір Всесвіту заповнився розжареними субатомними частинками з дуже високою енергією. Так виник Всесвіт. По мірі остигання з цих частинок сформувались позитивно заряджені ядра, до яких стали притягатися негативні електрони. Таким чином утворилося більше сотні хімічних елементів. Отже весь наш оточуючий світ і ми створені із зоряного пилу.
Всі молекули, з яких побудована жива матерія, підкоряються тим же законам фізики та хімії, що й молекули неживої природи. • Тим не менше живі організми мають чудові, лише їм притаманні властивості: – велика ступінь складності і організації; – будь-яка складова частина організму має спеціальне призначення і виконує свою строго визначену функцію від органів аж до окремих молекул. В організмі немає нічого зайвого і можна визначити роль кожної молекули, тоді як в неживій природі немає потреби питати про роль глини чи піску у будові якоїсь гори. – живі організми мають властивості добувати, перетворювати і використовувати енергію оточуючого середовища – або у формі органічних харчових речовин, або у вигляді енергії сонячного випромінювання. Живі організми ніколи не бувають у стані рівноваги (як всередині організму, так і в процесі обміну і взаємодії з оточуючим середовищем). – найвидатніша і вражаюча особливість живої матерії – це її здатність до точного самовідтворення – властивість, яку можна по праву вважати квінтесенцією живого стану. Нежива матерія нездатна до ціленаправленого обміну енергії для підтримання своєї структури і виконання роботи. Вона поступово руйнується і переходить до безладного, хаотичного стану.
Закономірним є питання: • Якщо живі організми складаються з «неживих» молекул, то чому ж тоді жива матерія так радикально відрізняється від неживої, котра складається з таких же молекул? Чому живий організм є чимось більшим ніж проста сума своїх неживих компонентів? • Раніше філософи приписували це чудотворній силі віталізму. Сучасна наука заперечує ці сили і намагається знайти раціональне, перш за все доступне для перевірки пояснення явищ в живій матерії, природі.
Як науки біоорганіка та біохімія свою головну задачу бачать в тому, щоб визначити, яким чином неживі молекули, що складають у своєї сукупності живі організми, взаємодіють одні з одними, підтримуючи живий стан і забезпечують його відтворення.
План лекції 1. Періоди розвитку біоорганічної хімії. 2. Предмет та завдання біоорганічної хімії. 3. Основні положення молекулярної логіки живого. 4. Хімічна будова та ієрархія компонентів клітини.
Найважливіші принципи молекулярної логіки живого стану. • Всі живі організми містять органічні макромолекули, які побудовані по загальному плану (спільному побудованому). – Структура біологічних макромолекул проста в своїй основі; – Всі живі організми складаються з одних і тих же молекул, які використовуються як будівельні блоки, що вказує на їх походження від спільного предка; – І дентичність організмів кожного виду зберігається завдяки наявності властивого лише йому набору нуклеїнових кислот і білків; – Всі біомолекули виконують в клітинах специфічні функції. – Живі організми створюють і підтримують складні впорядковані і ціле направлені елементи своєї структури за рахунок вільної енергії оточуючого середовища, цю енергію вони повертають в середовище в менш потрібній для них формі (у формі тепла); – Живі клітини – це хімічні машини, які працюють при сталій температурі; – Е нергетичні потреби всіх живих організмів прямо або опосередковано забезпечуються за рахунок сонячної енергії;
Найважливіші принципи молекулярної логіки живого стану – Весь рослинний і тваринний світ залежать від одного, так як між ними через зовнішнє середовище постійно відбувається обмін енергією і матерією; – К літини можуть функціонувати як хімічні машини завдяки присутності в них ферментів – каталізаторів, які в значній мірі прискорюють хімічні реакції в клітині не змінюючись при цьому. – Живі клітини вловлюють, зберігають і передають енергію в хімічній формі, що міститься в молекулі А Т Ф . Такий шлях передачі енергії ідентичний у більшості видів організмів. – Живі клітини – це саморегулюючі системи, налаштовані на роботу в режимі максимальної економії; – Найдивовижніша властивість живих клітин – це їхня здатність відтворювати собі подібних з майже ідеальною точністю на протязі сотен і тисяч поколінь. – Г енетична інформація закодована за допомогою структурних одиниць субмолекулярних розмірів, ці одиниці – це 4 типи нуклеотидів, з яких побудовані всі Д Н К, які є самовідновлюючими системами лінійного кодування.
План лекції 1. Періоди розвитку біоорганічної хімії. 2. Предмет та завдання біоорганічної хімії. 3. Основні положення молекулярної логіки живого. 4. Хімічна будова та ієрархія компонентів клітини.
Вміст елементів у морській воді, організмі людини і земній корі морська вода (%) організм людини (%) земна кора (%) H 66 H 63 O 47 O 33 O 25. 5 Si 28 Cl 0. 33 C 9. 5 Al 7. 9 Na 0. 28 N 1. 4 Fe 4. 5 Mg 0. 033 Ca 0. 31 Ca 3. 5 S 0. 017 P 0. 22 Na 2. 5 Ca 0. 0062 Cl 0. 08 K 2. 5 K 0. 0060 K 0. 06 Mg 2. 2 C 0. 0014 1. 2. 3. Макроелементи (за масовим вмістом на них припадає більше 0, 001% маси тіла) - О, С, Р, N, S, Ca, K, Na, P, Cl, Mg, Fe, Zn - 99, 9% Мікроелементи ( 0, 001 -0, 000001 % маси тіла) Cu, Mn, Co, Cr, J, Br, Mo, V, Si, Se Ультрамікроелементи ( менше 0, 000001 % маси тіла) – Pb, Ag, Ni, Hg, Au, Cs
Хімічні елементи, які є важливими для життя і здоров’я тварин Елементи, виділені оранжевим, є структурними компонентами клітин і тканин, і їхня щоденна доза становить 1 г. Потреба у елементах, виділених жовтим, є значно меншою: для людини кілька мг на день Fe, Cu та Zn.
• Карбон бере участь в утворенні ординарного, подвійного та потрійного ковалентних зв’язків (позначено червоним), особливо з іншими атомами Карбону. Слід зазначити, що в біомолекулах потрійні зв’язки зустрічаються надзвичайно рідко.
Функціональні групи, що визначають хімічні властивості Всі функціональні групи представлені в неіонізованій формі.
Більшість біомолекул є асиметричними
Хіральний атом
• Луї Пастер у 1843 р. вперше правильно пояснив явище оптичної активності. Досліджуючи кристалічну речовину, що нагромаджувалася у бочках з вином (виноградна кислота – рацемат D- і L- ізомерів винної кислоти ), він розділив два типи кристалів, ідентичних за формою, але які були дзеркальними відображеннями одне одного. Обидва типи кристалів проявляли всі властивості винної кислоти, але повертали площину плоскополяризованого світла в протилежних напрямках (перший – вправо, а другий – вліво, але на однаковий кут) Louis Pasteur 1822 -1895
• • • П’ять типів хімічних перетворень, які зустрічаються у живій клітині: 1. Перенос груп; 2. Окисно-відновні перетворення; 3. Перегрупування; 4. Розрив зв’язку; 5. Конденсація (об’єднання).
Біоорганічна хімія пояснює життя з точки зору хімії • Різноманітні живі організми мають спільні хімічні риси. Орел, дуб, бульбочкова бактерія і людина мають однакові структурні одиниці (клітини), однакові типи макромолекул (ДНК, РНК, білки), побудовані з тих же мономерів (нуклеотиди, амінокислоти), однакові шляхи синтезу клітинних компонентів, однаковий генетичний код (за незначними виключеннями) і спільних еволюційних предків.
Еукаріотичні клітини еволюціонували від прокаріотів в декілька стадій Одна з гіпотез стверджує, що сучасні рослини, тварини, гриби, найпростіші та бактерії мали спільного предка.
Рівні структурної організації живої матерії
Всі макромолекули побудовані з простих компонентів Лінійна послідовність мономерів у макромолекулах може кодувати безмежно складну інформацію. Число різних можливих послідовностей (S) залежить від кількості типів мономерів (N) і довжини лінійної послідовності (L): S = NL Для білків, довжина яких (кількість мономерів) L ≈ 1, 000, S є дуже великим, а у випадку нуклеїнових кислот, L яких може становити декілька мільйонів, S є астрономічним числом.
АТФ є універсальною молекулою, що запасає метаболічну енергію, з’єднуючи катаболізм і анаболізм АТФ є хімічним посередником, що поєднує процеси, які супроводжуються вивільненням та затратою енергії. Її роль у клітині є аналогічною до ролі грошей в економіці.
Metabolism Is Regulated to Achieve Balance and Economy • Regulation of a biosynthetic pathway by feedback inhibition. In the pathway by which isoleucine is formed in five steps from threonine (Fig. 1 -11), the accumulation of the product isoleucine (F) causes inhibition of the first reaction in the pathway by binding to the enzyme catalyzing this reaction and reducing its activity.
• A tissue such as liver is mechanically homogenized to break cells and disperse their contents in an aqueous buffer. The large and small particles in this suspension can be separated by centrifugation at different speeds (a), or particles of different density can be separated by isopycnic centrifugation (b). In isopycnic centrifugation, a centrifuge tube is filled with a solution, the density of which increases from top to bottom; some solute such as sucrose is dissolved at different concentrations to produce this density gradient. When a mixture of organelles is layered on top of the density gradient and the tube is centrifuged at high speed, individual organelles sediment until their buoyant density exactly matches that in the gradient. Each layer can be collected separately.
