Раздел I. Введение. Предмет и задачи биохимии

Биохимия (биологическая химия) - химия живого - это наука, которая занимается изучением химического состава и химических превращений в живых организмах (растении, животных, микроорганизмов и человека). Программа по данному предмету включает не только детальную характеристику основных классов органических веществ (белки, ферменты, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы), но и тщательный разбор химического строения отдельных представителей этих классов, их свойств, химической и биологической активности.

Переработка зерна, хлебопечение и производство алкогольных напитков связаны с применением сходных видов сырья биологического происхождения и биохимических процессов таких как, например, различных видов брожений. Эти направления пищевой технологии относятся к традиционным отраслям современной биотехнологии, теоретической основой которой является курс биохимии. В связи с этим можно определить задачи дисциплины для студентов, обучающихся по технологическим специальностям.

Задачи биохимии:

1) изучение химического состава

• живых организмов;

• пищевого сырья животного и растительного происхождения;

• готовой продукции

2. изучение химических превращений, протекающих в живых организмах;

3. изучение химических процессов, происходящих при переработке сырья.

Раздел II. Белковые вещества и нуклеиновые кислоты

Белки - высокомолекулярные органические вещества, построенные из остатков -аминокислот. Поэтому прежде чем перейти к изучению структуры белка необходимо ознакомиться со строением, конфигурацией, физико-химическими свойствами и принципам классификации -аминокислот. Дать понятие о незаменимых и полузаменимых аминокислотах. Следует ознакомиться с универсальными реакциями на аминокислоты и пептиды.

Детальное и подробное изучение аминокислот дает возможность студентам усвоить физико-химические свойства белков, амфотерность, заряд молекул при различных значениях рН среды, гидрофильность, растворимость, коллоидный характер растворов белков и др. Студентам необходимо разобраться в понятиях нативный и денатурированный белок, обратимая и необратимая денатурация. Следует изучить основные белковые осадители, механизм их действия, использование метода высаливания для получения отдельных фракций белков.

Переходя к изучению структурной организации белковых молекул, особое внимание необходимо сосредоточить на типах связей, поддерживающих первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Излагая этот вопрос, нужно раскрыть химическую природу этих связей и значение важнейших функциональных групп белков в их формировании. Кроме того, рекомендуется дать понятие о доменах как об области молекулы белка, обладающей структурной и функциональной автономией, показать, что домены можно считать фундаментальными элементами высшей структуры белковых молекул.

Пептиды. Пептиды представляют собой химические соединения, построенные из небольшого количества аминокислот. При ответе на вопросы, касающиеся пептидов, необходимо раскрыть их многообразную роль в организме. Многие из пептидов выполняют функции гормонов, некоторые являются сильнейшими ядами (яды змей, насекомых, пауков, высших грибов, микроорганизмов), мощными антибиотиками, различными факторами, регулирующими клеточное деление, переносчиками молекул и ионов через биологические мембраны и т.д. Одним из наиболее широко распространенных внутриклеточных пептидов является глютатион (γ-глютаминилцистеинилглицин), представляющий собой трипептид, построенный из остатков трех аминокислот: глицина, цистеина и глютаминовой кислоты. Глутатион обнаружен в клетках животных и растительных организмов, в заметных количествах он присутствует в зародыше пшеничного зерна (приблизительно 0,45% от сухого вещества), а также в дрожжах, особенно в старых. Глютатион оказывает на клейковину мощное разжижающее действие, в результате чего клейковина и тесто совершенно расплываются и ослабевают. Разжижающее действие глютатиона объясняют его активирующим действием на протеолитические ферменты муки, расщепляющие белки клейковины, вызывая расплывание теста. Кроме того, глютатион непосредственно действует на белки клейковины, вызывая глубокое изменение их физических свойств в результате восстановления и разрыва сульфгидрильных связей, соединяющих между собой макромолекулы образующих клейковину белков.

Классификация и характеристика отдельных классов белков. В связи с отсутствием к настоящему времени общепринятой единой классификации белков, существует несколько типов их классификации: 1) по физико-химическим свойствам; 2) по структурной организации; 3) по функциям, выполняемым белками в организме.

В зависимости от химического состава все белки делят на простые и сложные. Простые белки построены из аминокислот и при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Сложные белки – это двухкомпонентные белки, состоящие из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой.

Согласно классификации, основанной на физико-химических свойствах, простые белки по способности растворяться и извлекаться из тканей делятся на альбумины, глобулины, проламины, глютелины, гистоны, негистоновые белки, протамины, протеноиды. К альбуминам принадлежат белки, растворимые в воде. В качестве примеров альбуминов можно привести белок куриного яйца, белки зародышей семян однодольных и двудольных растений. Из водных растворов альбумины хорошо высаливаются, а при кипячении денатурируют. Глобулины – белки, растворимые в солях и 1 м растворе NaCl или растворе (NH₄)₂SO₄). Глобулины составляют большую часть белков масличных культур. К проламинам относятся белки, растворимые в спиртовых растворах. Свое название эти белки получили благодаря высокому содержанию аминокислоты пролина. Проламины синтезируются только в семенах злаковых растений. Проламины пшеницы называют глиадинами, кукурузы - зеинами, сорго – кафиринами, проса-панеинами. Глютелины - белки, растворимые в разбавленных растворах щелочей. Глютелины пшеницы названы глютенинами, а риса оризенинами. Проламины и глютелины составляют основную массу клейковины, пшеницы. Таким образом, качество клейковины, а, следовательно, и пшеничной муки зависит от количества и соотношения глиадина и глютенина.

Рассматривая каждый из классов простых белков, студент должен раскрыть их структуру, состав, свойства, локализацию, назвать важнейших представителей.

Сложные белки, в отличие от простых, помимо белкового компонента содержат небелковую часть, так называемую простетическую группу. В зависимости от химической природы простетической группы сложные белки подразделяются на следующие классы:

1) нуклеопротеиды белки, которые в качестве небелкового компонента включают нуклеиновые кислоты;

2) липопротеиды - белки, содержащие в качестве небелкового компонента лиииды;

3) гликопротеиды - белки, построенные из какого-либо простого белка и остатка углевода;

4) фосфопротеиды - белки, содержащие остаток ортофосфорной кислоты;

5) металлопротеиды - белки, содержащие ионы металлов;

6) хромопротеиды - белки, в качестве небелкового компонента содержащие пигменты (например, хлорофилл и флавиновые пигменты);

7) гемопротеиды - представляют собой разновидность хромопротеинов, которые в качестве небелкового пигментного компонента содержат гем. К этим белкам относятся гемоглобин и цитохромы.

Таким образом, название каждому из классов сложных белков присваивается в зависимости от химической природы простетической группы, т.е. небелкового компонента.

Рассматривая каждый из классов сложных белков, особое внимание следует обратить на строение простетических групп сложных белков, их состав, связь с белковой частью. Кроме того, желательно указать локализацию рассматриваемого класса белков в клетке, их биологическую роль, выполняемые функции, привести примеры наиболее распространенных представителей сложных белков.

По функциональной классификации белки делятся на следующие группы:

1) каталитические белки - это белки, обладающие ферментативными свойствами;

2) белки-гормоны, характерной особенностью которых является способность воздействовать на регуляцию обмена веществ;

3) регуляторные белки, действие которых связано с экспрессией и депрессией генома; защитные белки - к этой группе принадлежат антитела - белковые вещества, вырабатываемые животным организмом в ответ на внедрение антигенов, ответственные за формирование иммунитета;

4) транспортные белки - это белки, принимающие участие в переносе ионов некоторых металлов, в том числе макро- и микроэлементов, а также кислорода, липидов и др. веществ;

5) структурные белки - белки, несущие в биологических объектах структурные функции, включая мембранные белки;

6) сократительные белки - белки, локализованные как в мышечных клетках животных, так и в немышечных клетках про- и эукариотических организмов. Здесь надо подробнее остановиться на описании белков миозина, актина, тропомиозина и тропонина;

7) белки ингибиторы активности ферментов. К этой группе относятся белки, способные образовывать с ферментами неактивные комплексы. Необходимо подробно охарактеризовать ингибиторы сериновых протеиназ и протеолитических ферментов, как трипсин, химотрипсин, α- и β-амилаз, карбоусипептидаз.

Химический состав и структура нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты были впервые выделены австрийским биохимиком Ф. Мишером в 1869-1870 г.г. из ядер лейкоцитов гноя в виде соединения с белками - нуклеина. В 1899г. немецкий биохимик Р.Альтман разделил нуклеин Мишера на кислотную и белковую части и назвал кислотную часть нуклеиновой кислотой. В исследования по изучению состава, структурной организации, свойств нуклеиновых кислот большой вклад внесли работы Асколи, Левина, Чаргаффа, Белозерского, Уилкинса, Р.Франклина, Уотсона, Крика, Очоа, Корнберга, Ниренберга, Матеи, Гамова и др.

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения - полинуклеотиды, мономерами которых являются мононуклеотиды. В состав мононуклеотидов входит 3 компонента:

1. азотистое основание (аденин, гуани, цитозин, тимин или урацил);

2. остаток моносахарида (рибозы или дезоксирибозы);

3) остаток фосфорной кислоты. В зависимости от названия углеводного компонента все нуклеиновые кислоты делят на дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК), отличающиеся, кроме того, по азотистому основанию: в ДНК содержится тимин, в РНК - урацил.

В ходе выполнения контрольной работы студенты должны хорошо разобраться в строении отдельных компонентов нуклеозидов, нуклеозидмонофосфатов и нуклеозид ди- и трифосфатов, так и в особенностях соединения этих компонентов посредством фосфодиэфирных и гликозидных связей.

Фундаментальным открытием в биохимии и молекулярной биологии явилось построение Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. модели вторичной структуры ДНК в виде двойной спирали, которая формируется за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. При описании структуры ДНК необходимо раскрыть смысл правила комплементарности азотистых оснований, охарактеризовать параметры Уогсон-Криковской модели, дать понятие о правилах Чаргаффа. При ответе на вопрос о физико-химических свойствах нуклеиновых кислот нужно дать понятие о температуре плавления ДНК, денатурации и ренатурации двойной спирали ДНК. Необходимо подробно охарактеризовать каждый из классов рибонуклеиновых кислот: рибосомальные РНК (рРНК), матричную или информационную РНК (мРНК или иРНК), транспортную РНК (тРНК), указать особенности их первичной структуры, описать вторичную и высшие структуры.

Изучение обмена нуклеиновых кислот является принципиально важным, т.к. позволяет дать современную трактовку проблемам наследственности, изменчивости, естественного и искусственного мутагенеза, систематики и эволюции.

Репликация или биосинтез ДНК осуществляется при участии фермента ДНК-полимеразы III. При этом к пуриновому или пиримидиновому основанию матрицы присоединяется комплементарное пиримидиновое или пуриновое основание соответствующего нуклеозидтрифосфата. В итоге из одной материнской молекулы ДНК образуются две дочерние молекулы ДНК, совершенно идентичные друг другу и исходной молекуле ДНК.

Транскрипция или биосинтез РНК на матрице ДНК - это процесс, посредством которого заключенная в ДНК генетическая информация переписывается в одиночные цепи РНК. Изучение закономерностей биосинтеза нуклеиновых кислот привело к открытию важнейшего механизма воспроизведения специфичности при их синтезе. Механизм этот сводится к взаимодействию комплементарных оснований полинуклеотидной матрицы и нуклеозидтрифосфатов, из которых осуществляется указанный синтез.

Трансляция или биосинтез белка представляет собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий более чем из 15 последовательных реакций, в которых задействовано не менее 200 типов макромолекул. В ходе биосинтеза белка информация, заложенная в ДНК, через последовательность нуклеотидов матричной РНК переходит в последовательность аминокислотных остатков полипептидных цепей. Процесс трансляции обеспечивает синтез всех белков про- и эукариотических организмов. Место каждой аминокислоты в молекуле белка определяется расположением соответствующего триплета (кодона) в цепи молекулы матричной мРНК. Способ шифровки в нуклеиновых кислотах информации о первичной структуре белков получил название генетического кода (его называют также биологическим, нуклеотидным аминокислотным кодом). Экспериментально доказано, что в биологическом коде кодовое число равно трем: тройку нуклеотидных остатков (триплет), кодирующих включение одной аминокислоты, называют кодоном. Число разных триплетов нуклеотидов равно 4³=64 (цифра 4 соответствует количеству нуклеотидов -А, Г, Ц, Т или У, участвующих в построении макромолекул ДНК и РНК). Это в три с лишним раза превышает минимальное число, необходимое для кодирования 20 аминокислот, из которых строятся молекулы всех белков. Из 64 триплетов 61 используется для кодирования аминокислот, три - УАА, УАГ и УГА - обозначают конец матрицы: на этих триплетах обрывается дальнейшее наращивание пептидной цепи, в связи с чем они получили название терминирующие триплеты. Необходимо отметить, что каждый триплет кодирует только какую-нибудь одну аминокислоту, это свойство кода называют специфичностью. С другой стороны одна аминокислота может кодироваться двумя или несколькими (до шести) разными триплетами это свойство называют вырожденностью кода. К настоящему времени биологический код изучен у большинства организмов от вирусов и бактерий до высших растений и животных. Во всех случаях он оказался одинаковым. Это свойство кода, названное универсальностью, служит дополнительным доказательством единства происхождения всех форм жизни на Земле. При характеристике биологического кода студент должен раскрыть его основные свойства: универсальность, непрерывность, неперекрываемость у эукариотов и перекрываемость у некоторых прокариотов, вырожденность, триплетность, однозначность.

Суммируя вышеизложенное необходимо еще раз подчеркнуть, что биосинтез белка осуществляется в 2 этапа: 1 - транскрипция - образование матричной (информационной) РНК на ДНК; 2 - трансляция биосинтез белка на рибосомах с участием тРНК и мРНК.