Текст книги "Основы статической и динамической биохимии"

Основы статической и динамической биохимии

Лекция 1
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

План:

1. Понятие о живом организме и его характерные признаки.

2. Элементарный состав организма.

3. Молекулы и ионы, входящие в состав живых организмов.

4. Уровни структурной организации химических составных частей живого организма.

Окружающий нас мир состоит из живой и неживой природы. Все современные представления о происхождении жизни на Земле основываются на признании абиогенного, т. е. небиологического возникновения органических веществ из неорганических путем длительной молекулярной эволюции. Это мнение нашло отражение в теории русского ученого, академика А. И. Опарина (1924 г.) и английского естествоиспытателя Дж. Холдейна (1929 г.).

Усложнение органических веществ привело к образованию живых систем – организмов, которые представляют собой особую, высшую ступень эволюции. Что же такое жизнь? Материалистическое определение жизни дал Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Это определение дано более 100 лет назад, и оно не описывает всех свойств живого.

Достижения биологии нашего времени позволили полнее описать признаки, характерные для живых организмов и на этом основании дать более подробное определение понятия «Жизнь». Одно из таких определений принадлежит отечественному ученому М. В. Волькенштейну: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

Живой организм обладает совокупностью признаков. Назовем важнейшие из них:

1. Единство химического состава. В живых организмах 98 % химического состава приходится на 4 элемента: углерод, кислород, азот и водород.

2. Обмен веществ и саморегуляция. Живые организмы поглощают из окружающей среды необходимые вещества, используют их для построения собственного тела и получения энергии, обеспечивающей жизнедеятельность, а побочные продукты этих превращений вновь выделяют во внешнюю среду. Обмен веществ и саморегуляция обеспечивают гомеостаз, т. е. постоянство химического состава и строения организма в непрерывно меняющихся условиях внешней среды.

3. Развитие и рост. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой природы. Развитие сопровождается ростом. В процессе развития постепенно и последовательно возникает специфическая структура организации индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток.

4. Раздражимость. В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство избирательно реагировать на внешнее воздействие.

5. Адаптация. Любой живой организм активно приспосабливается к меняющимся условиям внешней и внутренней среды. В основе адаптации лежит способность живых систем изменяться.

6. Самовоспроизведение. Живые организмы обязательно размножаются, производя себе подобных. Основой самовоспроизведения является образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК. Самовоспроизведение – одно из основных свойств живого, связанного с явлением наследственности.

7. Энергозависимость. Живые тела представляют собой открытые для поступления энергии системы, т. е. это динамичные системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне.

Кроме того, живым организмам свойственна пространственная компактность и энергетическая экономичность.

Все многообразие веществ животного и растительного мира построено из сравнительно небольшого количества исходных составных частей.

Из 107 известных химических элементов в живых организмах обнаружено 60, однако в концентрациях, позволяющих не считать этот элемент случайной примесью, только 22.

Все химические элементы, встречающиеся в живых организмах, в соответствии с их концентрацией в клетках, делят на три группы:

– Макроэлементы (С, Н, О, N, Р, S, Cl, Na, К, Са). На их долю приходится более 0,01 %. Количество макроэлементов показано в таблице 1.

– Микроэлементы (Fе, Mg, Zn, Сu, Со, J, Вг, V, F, Mo, Al, Si). На их долю приходится от 0,01 до 0,000001 %.

– Ультрамикроэлементы (Hg, Au, Ag, Ra и т. д.). На их долю приходится менее 0,000001 %.

Таблица 1

Содержание химических элементов в живом организме

Химические элементы, используемые для образования веществ организма, обладают следующими свойствами:

– атомы имеют небольшие размеры, поэтому образуют компактные молекулы, способные проникать через клеточные мембраны;

– легко вступают в химические взаимодействия, образуя прочные ковалентные связи в молекулах веществ;

– их соединения хорошо растворяются в воде и легко усваиваются организмом;

– отдельные элементы (Р, S, N) могут образовывать лабильные химические связи, богатые энергией, и участвовать в биохимических реакциях, связанных с накоплением и освобождением энергии;

– способность атома углерода образовывать углеродуглеродные связи создает возможность быстрого превращения различных органических соединений в организме.

Установлено, что человек реагирует на содержание химических элементов в окружающей среде. Химические элементы накапливаются в организме человека в разных тканях и органах. Большая их часть задерживается в печени, цинк концентрируется в гипофизе и половых железах, никель – в поджелудочной железе, кадмий – в почках, молибден – в белом веществе мозга, стронций в костях, барий – в сетчатке глаз, литий – в легких, хром – в гипофизе, бор – в тканях, содержащих жировые вещества. Недостаток химических элементов в почве и воде приводит к различным заболеваниям у людей. Например, недостаток йода вызывает отклонения в работе щитовидной железы, недостаток фтора – заболевания зубов, высокое содержание стронция провоцирует подагру.

Рассмотрим биологическое значение важнейших химических элементов.

Кальций вместе с фосфором составляет основу костной ткани, активирует деятельность многих ферментов, регулирует процессы мышечного сокращения, свертывания крови, уплотнения коллоидов. Кроме того, кальций содействует выведению воды из организма.

Фосфор – важнейший элемент, входящий в состав белков, нуклеиновых кислот, макроэргических соединений (аденозинтрифосфорной кислоты, креатинфосфата). С превращениями последних связана мышечная и умственная деятельность, жизнеспособность организма.

Магний необходим при синтезе ацетилхолина, в реакциях анаэробного окисления углеводов, белковом обмене, при синтезе и расщеплении АТФ, мышечном сокращении, регуляции работы сердца. Дефицит солей магния приводит к задержке роста костей в длину и толщину, жировой инфильтрации печени, кальцификации кровеносных сосудов и ряду других нежелательных изменений.

Натрий участвует в регуляции кровяного давления, водного обмена (способствует набуханию коллоидов тканей, что задерживает воду в организме), активации пищеварительных ферментов, в поддержании кислотно-щелочного равновесия.

Калий вместе с ионами натрия обеспечивает поляризацию клеточной мембраны, принимает участие в передаче нервного импульса в синаптических образованиях, в реакциях синтеза гликогена, белка, АТФ, креатинфосфата, активирует работу ферментов. Считают, что калий обладает защитным действием против нежелательного действия избытка натрия и нормализует давление крови. Калий способен усиливать выделение мочи.

Хлор участвует в образовании желудочного сока, формировании плазмы, активирует ряд ферментов, поддерживает кислотно-щелочное равновесие, способствует удалению из организма через почки аммиака и ионов водорода.

Сера необходима для синтеза белков, некоторых витаминов и гормонов.

Железо участвует в образовании гемоглобина, миоглобина, ферментов аэробного окисления (цитохромов, каталазы).

Цинк необходим для роста организма, обеспечения нормального иммунологического статуса, процессов заживления ран, развития мозга у плода, передачи генетической информации. Он входит в состав молекулы гормона инсулина, регулирующего обмен углеводов.

Для живого характерно избирательное отношение к окружающей среде. Оно состоит на 90 % из С, Н, О, N, Р, S, тогда как неживое – из А1, Si, О, Fe, Ca, Na. Живая материя в целом напоминает Вселенную, построенную, главным образом, из легких элементов.

Несмотря на имеющиеся качественные отличия по элементарному составу, на этом уровне организации материи нет принципиальных отличий живого от неживого.

Отличия начинают ясно просматриваться на молекулярном уровне. Вещества, входящие в состав живых организмов, подчиняются всем законам химии и физики. Их делят на две группы: неорганические и органические (табл. 2).

Таблица 2

Содержание различных веществ в организме человека, в %

К неорганическим веществам относятся вода и минеральные соли. Последние встречаются в виде молекул, например, третичный фосфат кальция – Са₃(РО₄)₂, карбонат кальция – СаСО₃ и ионов (Na⁺, К⁺, Fe⁺², Fe⁺³, Са⁺², Mg⁺², F^-, Ca⁺², Cl^-, Br^-, J^-, SO^-2, HCO₃^-, H₂PО₄^-, H₂PО₄^-2). Ионный состав организма во многом сходен с ионным составом морской воды. Это свидетельство того, что первичные организмы возникли и развивались в первобытном океане, и на протяжении всей эволюции в наземных условиях в жидкостях и клетках нашего организма сохранился ионный баланс первобытного океана.

Более 100 ионов имеют биологическое значение. Ионы обеспечивают:

– разность потенциалов на мембране клетки (Nа⁺, К⁺);

– осмотическую работу организма (Nа⁺, К⁺, Cl^-);

– регуляцию активности ферментов (Cl^-, Nа⁺, Mg⁺², Ca⁺²);

– пространственную структуру биополимеров (Zn⁺², Fe⁺², Сu⁺², Мn⁺², Со⁺², Mg⁺²);

– сохранение постоянства внутренней среды организма (НСО₃^-, Н₂РО₄^-, НРО₄^-2);

– проницаемость клеточных мембран (К⁺, Nа⁺);

– обезвреживающую функцию печени (SO₄^-2) и другие процессы.

Органические вещества по молекулярной массе делятся на низко– и высокомолекулярные, а их химические свойства определяются функциональными группами (табл. 3).

Таблица 3

Классификация органических соединений по функциональным группам

К низкомолекулярным органическим веществам относятся: спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые и другие органические кислоты, углеводороды, аминокислоты, азотистые основания, глицерин, АТФ, витамины и др. Они являются строительными блоками, которые ковалентными связями соединяются в макромолекулы, т. е. высокомолекулярные вещества. К ним относятся белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды.

Число органических молекул точно подсчитать невозможно, так как количество видов только белковых молекул приближается к миллиону. Молекулы органических соединений имеют каркас из атомов углерода, центральная роль которого определяется способностью образовывать цепи любого размера с бесконечно разнообразной структурой. Связи между атомами углерода могут быть простыми (одинарными) и кратными (двойными, тройными). Большое значение имеет четырехвалентность углерода: три валентности могут быть использованы для построения трехмерного скелета, а четвертая – для включения в состав молекулы функциональной группы. Последняя в совокупности с радикалом определяет свойства органических соединений. В организме человека наиболее распространены вещества со следующими функциональными группами:

I. Гидроксильная (– ОН). Общая формула таких веществ R – ОН, либо R– (ОН)_n. Первые называются одноатомными, последние многоатомными спиртами. Наибольшее биологическое значение имеют многоатомные спирты, представителем которых является глицерин СН₂ – ОН – СНОН – СН₂ – ОН.

Спирты подвергаются следующим основным превращениям:

1. Взаимодействуют друг с другом с образованием простыхэ фиров.

2. С кислотами образуют сложные эфиры.

II. Альдегидная группа

Общая формула

Представители:

– муравьиный альдегид,

– уксусный альдегид.

Альдегиды обладают следующими химическими свойствами:

1) Легко окисляются с образованием карбоновых кислот.

2) Восстанавливаются с образованием спиртов.

III.Карбонильная (или кетогруппа)

Входящие в нее вещества называются кетонами. Общая формула

представитель:

Кетоны легко восстанавливаются с образованием вторичных спиртов.

IV.Карбоксильная группа . Вещества, имеющие такую функциональную группу, называются карбоновыми кислотами. Среди них выделяют следующие подгруппы:

– одноосновные карбоновые кислоты

– многоосновные карбоновые кислоты

Для карбоновых кислот в организме человека характерны следующие превращения:

1) Диссоциация в водном растворе с отщеплением водорода.

2) Взаимодействие со спиртами с образованием сложных эфиров.

V. Ряд веществ в молекуле имеют две или более функциональных групп. Примером являются:

– оксикарбоновые кислоты, имеющие в молекуле гидроксильную группу

Окисление оксикислот приводит к образованию кетокислот.

– кетокарбоновые кислоты, имеющие в молекуле карбонильную группу

– пировиноградная кислота

Восстановление кетокислот приводит к образованию оксикислот.

– аминокислоты, имеющие в молекуле карбоксильную и аминогруппу

Аминокислоты взаимодействуют между собой с образованием цепей – ди-, три-, полипептидов.

Участок молекулы, содержащей группу атомов называется пептидной или амидной связью и образует первичную структуру белковой молекулы.

– аминоспирты, содержащие в молекуле аминогруппу и гидроксильную группу.

Аминоспирты входят в состав жироподобных веществ фосфатидов.

– амиды кислот, получаемые замещением гидроксогругшы на аминогруппу. Представители: – продукты, образующиеся в организме при обмене белков.

VI.В организме имеются циклические соединения, например,

Низкомолекулярные органические соединения являются мономерами в составе высокомолекулярных веществ. Из последних наибольшее биологическое значение имеют: белки, липиды, полисахариды и нуклеиновые кислоты.

Белки построены из аминокислот, нуклеиновые кислоты из нуклеотидов, жиры из глицерина и жирных карбоновых кислот и полисахариды из моносахаридов. Нуклеиновые кислоты и белки являются индивидуальными для каждого организма. Они отличаются по составу даже в пределах одного вида. Углеводы и липиды почти одинаковы в самых разнообразных организмах.

Молекулы органических веществ, входящих в состав живых организмов, выполняют разнообразные функции. Рассмотрим основные из них:

1. Структурная, или пластическая. Например: белки и липиды входят в состав мембран органоидов клетки, минеральные соли – составная часть скелета.

2. Энергетическая. Макромолекулы, разрушаясь в организме, служат источником энергии для осуществления различных жизненных процессов, в том числе и для выполнения мышечной работы. Наибольшее энергетическое значение имеют углеводы и липиды.

3. Регуляторная. Она выполняется белками-ферментами, витаминами, а также ионами минеральных веществ и некоторыми промежуточными продуктами обмена веществ.

4. Сократительная. Ее выполняют специфические белки, (например, актин, миозин), которые, взаимодействуя друг с другом, передвигаются в пространстве и вызывают сокращение и расслабление мышечной ткани.

5. Транспортная. При участии ряда соединений происходитперенос веществ в организме. Например, белок гемоглобин транспортирует по крови кислород; другие белки связывают и доставляют к органам и тканям витамины, жирные кислоты, гормоны, кальций и т. д.; желчные кислоты, связываясь с жирными карбоновыми кислотами, способствуют их всасыванию из пищеварительного тракта.

6. Защитная. Белок фибриноген участвует в процессах свертывания крови: специфические белки-антитела являются основой гуморального иммунитета.

7. Хранение и передача наследственной информации. Белки и нуклеиновые кислоты непосредственно связаны с наследственностью организма, т. к. участвуют в хранении и передаче генетической информации.

Особую функцию выполняют макроэргические соединения, способные накапливать потенциальную энергию химических связей и трансформировать ее в различные виды работы: механическую, осмотическую, тепловую, электрическую.

Большинство органических молекул выполняют в организме не одну, а несколько функций. Например, сократительный белок миозин одновременно является ферментом, ускоряющим расщепление АТФ; аминокислоты используются не только как мономеры в белковых молекулах, но и сами являются биологически активными веществами (гистидин, холин, метионин); мононуклеотиды – мономеры в молекулах нуклеиновых кислот одновременно аккумуляторы энергии в клетке. В этом проявляется принцип молекулярной экономии, свойственный живому.

Для молекулярной организации клеток характерна своеобразная соподчиненность структур. Суть ее в следующем. Из внешней среды в клетку (растительную) поступают углекислый газ, вода, соединения азота и минеральные соли. В клетке из этих неорганических веществ синтезируются низкомолекулярные органические вещества, моносахариды, аминокислоты, которые являются строительными блоками для создания макромолекул. Соединяясь ковалентными связями, они образуют белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты. Макромолекулы, в свою очередь, слабыми нековалентными связями объединяются и надмолекулярные комплексы: липопротеиды, нуклеопротеиды, которые далее используются для построения клеточных структур. Например, из нуклеопротеидов построены рибосомы и хромосомы, а из липопротеидов – мембраны клетки.

Строгая упорядоченность, последовательность и независимость обменных процессов в клетках обеспечивается их локализацией в отдельных клеточных органеллах. Каждую клетку можно рассматривать как самостоятельную химическую систему со своим обменом веществ, что позволяет тонко реагировать на изменение концентрации отдельных веществ во внутренней и внешних средах.

Рассмотрим коротко строение и биологическое значение основных структурных элементов клетки.

Клетка – единая живая система, состоящая из внутренней полужидкой среды – цитоплазмы и ядра. Основная функция цитоплазмы – объединять в одно целое и обеспечивать взаимодействие ядра и других органоидов клетки (рис. 1).

Рис. 1. Строение животной клетки

Снаружи клетка покрыта трехслойной цитоплазматической мембраной, состоящей из трех слоев: двух белковых и расположенного между ними липидного слоя. Еe функции: ограничивать внутреннюю среду клетки, защищать от повреждений, регулировать поступление и вывод ионов и молекул, соединять клетки в ткани.

Дифференцированные участки цитоплазмы, выполняющие определенные функции, называются органоидами. Основными из них являются следующие:

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – система трубочек, пронизывающих цитоплазму и участвующих в накоплении и транспортировке всех веществ в клетке. В ней различают гладкие и шероховатые участки. На первых синтезируются жиры и углеводы, на вторых – белки.

Митохондрии – мелкие тельца вытянутой формы, расположенные в цитоплазме и ограниченные от нее двумя трехслойными мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя – образует многочисленные выросты, на которых расположены дыхательные ферменты. Внутри митохондрии содержится полужидкое вещество, в котором размещены рибосомы, ДНК и РНК. Основное назначение митохондрии – синтез АТФ.

Рибосомы – мелкие тельца округлой формы, состоящие из двух частиц: малой и большой субъединиц. Расположены в цитоплазме и на ЭПС. Основная функция рибосом – синтез белка в клетке.

Лизосомы – округлые тельца, содержащие комплекс ферментов, способных расщеплять все питательные вещества.

Комплекс Гольджи имеет разнообразную форму и участвует в накоплении и выведении органических веществ, синтезируемых в ЭПС, и в образовании лизосом.

Клеточный центр участвует в процессах деления клетки.

Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран, и пронизанных порами. Через них могут проходить макромолекулы информационных РНК. Содержимое ядра – кариоплазма, состоящая в основном из хроматина, из которого в период деления клетки формируются хромосомы. Ядро содержит генетическую информацию и регулирует жизнедеятельность клетки.

Кроме того, в клетке накапливаются углеводы (гликоген), жиры и белки, которые не являются постоянными компонентами клетки и используются в процессе жизнедеятельности организма.

Клетки, имеющие сходное строение и выполняющие одинаковые функции, объединяются в ткани, ткани – в органы, органы – в системы органов, системы органов образуют живой организм.

Контрольные вопросы

1. Назвать микро– и ультрамикроэлементы. Биологическое значение каждой группы.

2. Неорганические соединения организма человека, их биологическое значение.

3. Низкомолекулярные органические вещества организма, их биологическое значение.

4. Дать определение понятия «функциональная группа». Привести примеры органических веществ с разными функциональными группами.

5. Высокомолекулярные органические соединения. Их биологическое значение.