Характеристика основних розділів елементарної біохімії

— Білки. В даний час встановлено, що в живій природі не існує небілкових організмів.

Білки — це високомолекулярні полімерні сполуки, що утворюють при гідролізі амінокислоти. В організмі тварин білків міститься до 40−50% і більше на суху масу, у рослин до 20−35%. Різноманітні і дуже важливі функції білків.

Будівельна, структурна функція. Білки утворюють основу протоплазми будь живої клітини, в комплексі з ліпідами вони є основним структурним матеріалом всіх клітинних мембран, всіх органел.

Каталітична функція. Практично всі біохімічні реакції катализируются білками-ферментами.

Рухова функція. Будь-які форми руху в живій природі (робота м’язів, рух війок і джгутиків у найпростіших) здійснюються білковими структурами клітин.

Транспортна функція. Білок крові гемоглобін транспортує кисень від легень до тканин і органів. Є білки крові, транспортують ліпіди, залізо, стероїдні гормони. Перенесення багатьох речовин через клітинні мембрани здійснюють особливі білки-переносники.

Захисна функція. Найважливіші фактори імунітету — антитіла і система комплементу є білками. Процес згортання крові, захищає організм від надмірної крововтрати відбувається за участю білків фібриногену, тромбіну та інших факторів згортання, теж є білками. Внутрішні стінки стравоходу, шлунка вистелені захисним шаром слизових білків — муцинів. Основу шкіри, оберігає тіло від багатьох зовнішніх впливів, становить білок колаген.

Гормональна функція. Ряд гормонів за своєю будовою відноситься до білків (інсулін) або пептидів (АКТГ, окситоцин, вазопресин).

Опорна функція. Сухожилля, суглобні зчленування, кістки скелета утворені в значній мірі білками.

Запасна функція. Білки здатні утворювати запасні відкладення (овальбумін яєць, казеїн молока, багато білків насіння).

Білки мають велике народногосподарське значення. Білки є основними компонентами їжі людини і тварин. Багато захворювань пов’язані з хронічним білковим голодуванням. Технологія багатьох виробництв заснована на переробці білків, Зміну їх властивостей.

Всі білки прийнято ділити на дві групи: прості, або протеїни (складаються тільки з амінокислот), і складні (в їх молекулі крім білкової частини міститься і небілкова, простетическая): Хромопротеїни, ліпопротеїни, нуклеопротеїнів і т. д.

— Ферменти. Ферменти, або ензими, — це каталізатори білкової природи, що утворюються і функціонують у всіх живих організмах.

Будучи каталізаторами — речовинами, які прискорюють реакції, ферменти мають ряд загальних властивостей з хімічними, небіологічними каталізаторами.

• 1. Ферменти не входять до складу кінцевих продуктів реакції і виходять з реакції в первісному вигляді. Вони не витрачаються в процесі каталізу.
• 2. Ферменти не можуть порушити реакцій, що суперечать законам термодинаміки, вони тільки прискорюють ті реакції, які можуть протікати і без них.
• 3. Ферменти, як правило, не зміщують положення рівноваги реакції, а лише прискорюють його досягнення.

Для ферментів характерні і специфічні властивості, що відрізняють їх від хімічних каталізаторів, що виражають їх хімічну природу.

• 1. За хімічною будовою молекули всі ферменти є білками.
• 2. Ефективність ферментів вище, ніж небіологічних каталізаторів.
• 3. Ферменти мають вузькою специфічністю, вибірковістю дії на субстрати, тобто на речовини, перетворення, яких вони каталізують.
• 4. Одним з найважливіших властивостей ферментів є їх регулюємість.

При ферментативних реакціях на відміну від неферментативних спостерігаються лише незначні побічні процеси, для ферментативних реакцій характерний майже 100% вихід продуктів.

Всі ферменти поділяються на шість класів відповідно до характеру каталізуються ними реакцій.

• 1. Оксидоредуктази. Каталізують окисно-відновні реакції.
• 2. Трансферази. Каталізують реакції переносу угруповань з однієї сполуки на іншу.
• 3. Гідролази. Прискорюють гидролитическое розщеплення речовин.
• 4. Ліази. Каталізують реакції негідролітіческого розщеплення з утворенням подвійних зв’язків або реакції приєднання по подвійних зв’язках.
• 5. Ізомерази. Каталізують реакції ізомераціі сполук.
• 6. Лігази (синтетази). Прискорюють реакції синтезу з використанням енергії макроергічних сполук.

Ферментативні препарати знаходять широке застосування в різних галузях промисловості. У хлібопекарському виробництві для прискорення гідролізу крохмалю і поліпшення якості тіста використовують амілази. При приготуванні дитячої їжі з метою полегшення перетравлювання вуглеводів та білків вихідні продукти обробляються амилазой і протеїназ.

— Нуклеїнові кислоти. Нуклеїнові кислоти — це складні сполуки, які з пуринового або піримідинового азотистого підстави, моносахарида пентози (рибози або дезоксирибози) і фосфорної кислоти.

Нуклеїнові кислоти — найважливіший компонент усіх живих організмів, всіх живих клітин. За участю нуклеїнових кислот відбувається утворення білків. Кожен живий організм має свої специфічні білки, якими він відрізняється то інших організмів. Інформація, яка визначає особливості структури білків, «записана» в ДНК і передається в ряду поколінь молекулами ДНК. Всі нуклеїнові кислоти поділяються на два типи в залежності від того, який моносахарид входить до їх складу; рибонуклеїнова кислота (РНК) містить рибозу, дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) містить дезоксирибозу.

Пуринові і піримідинові азотисті основи, що входять до складу нуклеїнових кислот, є похідними ароматичних, гетероциклічних сполук — пурину і піримідину. Серед пуринових азотистих основ головну роль грають аденін (А) і гуанін (Г), а серед піримідинових основ — цитозин (Ц), урацил (У), тимін (Т). До складу ДНК входять аденін, цитозин, гуанін, тимін; в РНК замість тиміну є урацил.

ДНК подібно білкам має первинну, вторинну і третинну структуру. Вміщені в клітці РНК розрізняються розміром, складом, функціями і локалізацією. У цитоплазмі міститься РНК декількох видів: транспортна РНК (тРНК), інформаційна РНК (іРНК), рибосомна РНК (рРНК). У ядрі локалізована ядерна РНК (яРНК), кількість якої становить від 4 до 10% від сумарної клітинної РНК.

Синтез РНК, ДНК і білка дуже складні, взаємопов'язані процеси, якими впритул займається така наука, як генна інженерія. Основне завдання генної інженерії - отримання молекул ДНК in vitro, їх розмноження та введення в організм з метою отримання нових спадкових властивостей.

• — Вуглеводи. Вуглеводами називають альдегіди багатоатомних спиртів і полімери цих сполук. У біосфері вуглеводів більше, ніж усіх інших органічних сполук разом узятих. У рослинному світі на їх частку припадає 80−90% з розрахунку на суху речовину. У тваринному організмі вуглеводів міститься близько 2% маси тіла, але значення їх однаково велике для всіх живих організмів, про що свідчать ті важливі функції, які вони виконують.
• 1. Енергетична. Окисляючи в процесі дихання, вуглеводи виділяють укладену в них енергію та забезпечують значну частину потреби організму в ній. При окисленні 1 г вуглеводів виділяється 16,9 кДж енергії.
• 2. Пластична. Вуглеводи використовуються для синтезу багатьох важливих для організму речовин: нуклеїнових кислот, органічних кислот, а з них — амінокислот і далі білків, ліпідів і т. д.
• 3. Захисна. Вуглеводи — основні компоненти оболонок рослинних тканин, вони беруть участь у побудові зовнішнього скелета комах і ракоподібних, в утворенні клітинних стінок бактерій і клітинних мембран всіх живих організмів.
• 4. Опорна. Целюлоза та інші полісахариди оболонок рослин не тільки захищають клітини від зовнішніх впливів, а й утворюють міцний стовп рослини. У комплексі з білками вуглеводи входять до складу хрящових тканин людини і тварин.
• 5. Специфічні функції вуглеводів. Вуглеводи визначають антигенну специфічність, обумовлюють відмінності груп крові та ін
• 6. Вуглеводи виконують також функцію запасних поживних речовин.

Вуглеводи поділяють на моносахариди, олігосахариди і полісахариди.

До моносахаридів відносяться вуглеводи та їх похідні, які не здатні розщеплюватися без втрати основних вуглеводних властивостей.

Олігосахариди гідролізуються з утворенням невеликого числа моносахаридів (від 2 до 10).

Полісахариди (глікана) представляють собою високомолекулярні полімери моносахаридів та їх похідних. Число залишків моносахаридних одиниць у них від 10 до кількох тисяч.

Людина і тварини не здатні до первинного біосинтезу вуглеводів з неорганічних речовин, вони можуть лише утворювати їх у процесі глюконеогенезу з інших органічних речовин, але головним джерелом вуглеводів є їжа. Вуглеводи складають істотну частину раціону людини і багатьох тварин. На їх частку припадає 60−70% загальної суми калорій їжі людини. Вуглеводи всмоктуються через слизову оболонку кишечника тільки у вигляді моносахаридів. Для розщеплення і переварювання великих полісахаридів в травному тракті є десятки різних ферментних систем. У результаті послідовного впливу ферментів вуглеводи перетворюються на моносахариди, вони добре всмоктуються через кишкову стінку в кров і розносяться по організму для виконання своїх функцій.

• — Ліпіди. Ліпідами називаються неоднорідні в хімічному відношенні речовини, загальною властивістю яких є хороша розчинність в неполярних органічних розчинниках: ефірі, ацетоні, хлороформі, бензолі і т. п. За своїм хімізмом ліпіди, в більшості випадків, являють собою складні ефіри вищих жирних кислот з гліцерином або деякими іншими спиртами специфічної будови. Ліпіди можуть бути класифіковані наступним чином:
  • 1. Нейтральні жири і вільні жирні кислоти
  • 2. Фосфоліпіди
  • 3. Гліколіпіди
  • 4. Стероїди
  • 5. Воску
  • 6. Терпени

Функції цього класу сполук важливі і різноманітні.

• 1. Перш за все, ліпіди у вигляді комплексу з білками є структурними елементами мембран клітин і клітинних органел.
• 2. Ліпіди служать також енергетичним матеріалом для організму. При окисленні 1 г жиру виділяється 39 кДж енергії, тобто у 2 рази більше, ніж при розщепленні 1 г вуглеводів.
• 3. У зв’язку з добре вираженими термоізоляційними властивостями ліпіди зберігають тепло в організмі, особливо у морських і полярних тварин, виконуючи тим самим захисну функцію. У вигляді жирової прокладки оберігають тіло і органи тварин від механічного пошкодження, служать жировим змащенням для шкіри. Восковий наліт на листі і плодах рослин захищає від надмірного випаровування і проникнення мікроорганізмів. Ліпідні компоненти бактерій значною мірою визначають їх чутливість або резистентність до антибіотиків. Деякі з ліпідів мають відношення до імунітету (гліколіпіди).
• 4. Регуляторної активністю володіють простагландини. Від властивостей і структури мембранних ліпідів багато в чому залежить активність мембранозв’язаних ферментів, особливості протікання процесів окисного фосфорилювання.
• 5. Будучи найважливішими компонентами нервових тканин, гліколіпіди справляють істотний вплив на функціонування нервової системи.

Ліпіди — важлива складова частина їжі. Дорослій людині потрібно від 70 до 145 г жиру на добу залежно від трудової діяльності, статі, кліматичних умов. Причому необхідні як тварини, так і рослинні жири. Ліпіди є високоенергетичними речовинами, тому за їх рахунок задовольняється 25−30% потреби людського організму в енергетичному матеріалі.

Переварювання жиру починається в шлунку, де знаходиться фермент ліпаза. Основне розщеплення ліпідів відбувається в кишечнику, в першу чергу в дванадцятипалої кишці під впливом ферменту підшлункової залози ліпази і жовчі, що надходить з жовчного міхура. У результаті ферментативного впливу утворюється дуже тонка жирова емульсія, діаметр частинок якої не перевищує 0,5 мкм. Такі емульговані жири здатні самостійно проходити через стінку кишечника і потрапляти в лімфатичну систему.

— Вітаміни. Вітаміни — низькомолекулярні органічні сполуки, які, будучи присутнім в їжі в невеликих кількостях, є незамінними її компонентами, забезпечують нормальний перебіг біохімічних і фізіологічних процесів шляхом участі в регуляції метаболізму.Вітаміни не включаються в структуру тканин людини і тварин і не використовуються як джерело енергії.

Багато вітамінів являють собою вихідний матеріал для біосинтезу коферментів і простетичних груп ферментів. У цьому полягає одна з основних причин необхідності вітамінів для нормального протікання обмінних процесів.

Вітаміни ділять на:

• 1. Розчинні у воді (вітаміни В1, В2, В6, В12, С)
• 2. Розчинні у жирах (вітаміни А, К, Д, Е)
• 3. Вітаміноподібні сполуки.

Для характеристики забезпеченості організму будь-яким вітаміном прийнято розрізняти три її форми: авітаміноз, гіповітаміноз, гіпервітаміноз. Перший термін застосовують щодо комплексу симптомів, що розвиваються в результаті досить тривалого, повного або майже повної відсутності одного з вітамінів. Під гіповітамінозом розуміють стан, що характеризує часткову, але вже проявилася специфічним чином недостатність вітаміну. Гіпервітаміноз — комплекс патофізіологічних і біохімічних порушень, що виникають внаслідок тривалого зайвого введення в організм будь-якого з вітамінів.

Елементарна біохімія вивчає вищеописані речовини, їх взаємні перетворення, біосинтез, роль в обміні речовин, регуляції метаболізму, значення для народного господарства, можливості їх використання в промисловості.