Лекция 4. Эпоха Петра Первого

Белки и аминокислоты. Белки – протеины (protos - первый, значимый), важнейший класс биомолекул, с наличием которых связывают существование жизни в условиях Земли. Белки являются молекулами, в состав которых входят 20 аминокислот. Совокупность белков в организме составляет его протеом.

Нуклеиновые кислоты и нуклеотиды. Дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты – биополимеры, состоящие из пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Они являются носителями генетической информации у всех живых организмов. Последовательность мононуклеотидов в составе нуклеиновых кислот детерминирует (кодирует) последовательность аминокислотных остатков в белках. Последовательность из трех нуклеотидов

(триплет или кодон) в молекуле ДНК соответствует одной из 20 аминокислот. Таким образом, генетический код определяет порядок включения аминокислот в полипептидную цепь в процессе синтеза белка на рибосомах. Совокупность генов в организме составляет его геном.

Белки и нуклеиновые кислоты идивидуальны для каждого организма.

2. особенность энергетических превращений. Живым организмам требуется непрерывное поглощение и накопление свободной энергии. Энергия в организмах выделяется при окислении питательных веществ (углеводов, белков, жиров) и значительная ее часть аккумулируется в виде макроэргических связей АТФ. Другими словами клетки получают энергию в виде химической энергии,которая преобразуется и расходуется в ходе жизнедеятельности.

3. особенности химических реакций - Происходящие в живом организме химические реакции специфичны и высокоэффективны, а скорость их велика. Это обусловленно тем, что большинство реакций в живых организмах являются ферментативными, то есть протекают при участии ферментов – катализаторов белковой природы. Реакции катализируемые ферментами протекают со 100% выходом и являются высокоспецифичными к веществу, которое подлежит преобразованию. 4. саморегуляция клеточных реакций - Живые клетки обладают способностью саморегуляции, т.е. скорость реакции в одной части клетки может зависеть от концентрации соединений, синтезирующихся в другой части клетки. Клетка может «включить» и «выключить» синтез ферментов по надобности.

5. Важнейшийпринцип жизни – это принцип репродукции, или самовоспроизведения. Все живые организмы воспроизводят себе подобных с почти идеальной точностью на протяжении сотен и тысяч поколений. Это возможно потому что

а) генетическая информация клетки закодирована компактно, при помощи структурных единиц ДНК – нуклеотидов. б) Генетическая информация, хранящаяся в ДНК, необычайно стабильна, что обусловленно наличием двойной спирали в молекуле ДНК. г) генетическая информация, закодированная в форме линейной последовательности нуклеотидов, преобразуется в последовательность аминокислот в молекуле белка посредством процесса трансляции (перевода структуры ДНК в структуру белка) при помощи РНК.

Это позволяло сформулировать основную догму молекулярной биологии, которая определяет направление передачи генетической информации у всех живых организмов: ДНК → РНК → Белок

итак:

живая клетка - это способная к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению открытая система органических молекул, извлекающая энергию из окружающей среды.

В клетке осуществляется множество последовательно протекающих химических реакций, ускоряемых органическими катализаторами (ферментами), которые производит сама клетка.

клетка функционирует по принципу максимальной эффективности и экономии.

Биосфера Земли насчитывает около 1,2млн. видов животных, в том числе и человека, а также более 500 тыс. видов растений. В живых организмах содержится около 40 различных химических элементов. 99% элементного состава живых организмов представляют такие элементы как углерод(С), кислород (О), водород (Н), азот (N), фосфор (Р) и сера (S). Из этих химических элементов (биоэлементов или органогенов) образуется весь спектр биоорганических соединений.

Некоторые элементы входят в состав живых организмов в свободном состоянии в качестве макроэлементов (например, ионы Na, K, Ca, Mg, Cl), или микроэлементов (Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Se, F, Mo, V и др.), выполняя важные структурные и регуляторные функции.

Основу всех органические соединений составляет углеродный скелет. Атомы углерода способны образовывать друг с другом, а также с другими атомами, различные одинарные, двойные и тройные ковалентные связи. Кроме этого, они могут образовать множество устойчивых линейных и разветвленных цепей, циклические и сетчатые структуры. Все живые организмы состоят из органических молекул. Существует 4 основных класса макромолекул: белки, жиры, нуклеиновые кислоты, углеводы. Все макромолекулы образуются из ковалентно связанных друг с другом молекул, играющих роль строительных блоков, и число их сравнительно невелико. Молекулы белков представляют собой цепи, выстроенные из 20 аминокислот, нукелеиновые цепи - это цепи, состоящие из нуклеотидов 4 типов, а полисахариды – цепи простых повторяющихся сахаров. Эти макромолекулы образуют надмолекулярные структуры –мембраны, рибосомы, и другие органеллы клетки.

Клетка – структурная, функциональная и генетическая единица живого организма. Все клетки способны к размножению путем деления, передавая потомкам свои биологические признаки. Клетки делятся на прокариотические (безядерные) и эукариотические (ядерные).

Они отличаются по химическому составу и обмену веществ. Клеточные компоненты постоянно обновляются. Для тела человека период полуобновления белков (Т1/2) составляет в среднем 12 недель, белков печени меньше – 2 недели, белков мышц - 27 недель, белков костной ткани – много месяцев.

 

Первое место среди химических соединений занимает Вода

Вода является наиболее широко распространенным веществом в живой природе, и ее весовое содержание в большинстве живых организмов составляет 70%. Вода заполняет все составные части каждой живой клетки, а именно она представляет собой ту среду, в которой осуществляются транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все все структурные элементы живой клетки и их функции обязательно должны быть приспособлены в отношении физических и химических свойств воды.

Часто мы рассматриваем воду просто как безвредную инертную жидкость, удобную для практического использования в разных целях, однако вода представляет собой вещество с довольно необычными свойствами. По сравнению с большинством других жидкостей вода имеет необычно высокие температуры плавления и кипения, теплоту испарения, удельную теплоемкость, а также высокое повехностное натяжение. Причиной этого является сильно выраженное притяжение между молекулами воды. Сцепление молекул обусловленно полярностью молекул воды.

Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностей атомовводорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине каждая молекула воды является молекулой с двумя полюсами, (диполем), где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами, и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии.

Сила электростатического взаимодействия между частичным отрицательным зарядом атома кислорода одной молекулы и частичным положительным зарядом атома водорода другой молекулы называется водородной связью. Именно водородные связи придают воде особенные физические свойства - очень высокую температуру её кипения и высокое повехностное натяжение. Каждая молекула воды может образовать водородные связи максимально с четырьмя соседними молекулами воды.

Молекулы в жидкой воде находятся в непрерывном движении, поэтому водородные связи постоянно и быстро разрываются и вновь восстанавливаются.

Во льду движение молекул ослабляется и при этом образуется регулярная кристаллическая структура, где каждая молекула воды связанна с максимально возможным числом соседних молекул, т.е. с четырьмя.

Водородные связи характерны не только для воды. Они легко образуются между любым электроотрицательным атомом (обычно кислородом или азотом) и атомом водорода.

Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи, однако водородная связь характеризуется определенной направленностью, и вследствие этого способна удерживать связанные с ее помощью молекулы или группы в определенной взаимной ориентации. Именно это это свойство водородных связей способствует стабилизации пространственных структур, характерных для молекул белков и нуклеиновых кислот. Водородные связи вместе с ковалентными являются основными типами взаимодействия в биологических макромолекулах.

Из-за полярности молекул воды и водородных связей, вода является уникальным растворителем. Вода является гораздо лучшим растворителем, чем большинство общеизвестных жидкостей. В воде прекрасно растворяется множество ионных веществ, например кристаллические соли. А также другие соединения, содержащие полярные молекулы. Такими являются органические вещества содержащие гидроксильные (OH), карбоксильные (COOH), аминогруппы (NH₂): (сахара, спирты, альдегиды, кетоны).

Химические связи между атомами:

Во время химического взаимодействия два атома приближаются друг к другу, при этом ядро одного атома притягивает электронное облако другого атома, и наоборот. При этом электронные облака частично перекрываются (обобществляются) и образуется общее двухэлектронное облако, которое имеет наибольшую плотность между ядрами. Это электронное облако принадлежит обоим атомам и связывает их. Так образуется ковалентная связь.

Когда между собой связаны одинаковые атомы, поделенная пара электронов всегда находится на одинаковом расстоянии от ядер обоих атомов. Например, чисто ковалентными вляются двухатомные молекулы водорода, кислорода, хлора, азота:

Когда между собой связываются разные атомы, поделенная пара химической связи всегда смещена, к тому атому, который проявляет более сильные акцепторные (притягтвающие) свойства. Если электронная плотность смещена в сторону одного из атомов, то ковалентная связь называется полярной. Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов.

Под электроотрицательностью понимают относительную способность атомов притягивать электроны при связывании с другими атомами. Электроотрицательность характеризует способность атома к поляризации химических связей, т.е. появлению разных полюсов внутри одной молекулы.

Если разность электроотрицательностей атомов велика, то электронная пара, осуществляющая связь, переходит к одному из атомов, и оба атома превращаются в ионы. Ионы - это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов.Химическая связь между ионами, осуществляемая за счет электростатического притяжения, называется ионной связью.

Полярные молекулы, а также ионы могут образовывать водородные связи, т. е. обладают способностью взаимодействовть с водой. этим и объясняется хорошая растворимость в воде солей, спиртов, сахаров, и т.д.

Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы водорода - H⁺ и гидроксила - OH^-:

H₂О H⁺+OH^-,

диссоциация воды в обычных условиях крайне незначительна; диссоциирует в среднем одна молекула из 500000000. Однако образующиеся при этом ионы H⁺+OH^- играют исключительно важную роль в биологических процессах. На основе данных по электропроводности чистой воды определено, что ионное произведение [H⁺] х [OH^-] в водных растворах при 25⁰ С всегда равно строго определенной величине, а именно 10^-14 М. В чистой воде концентрация ионов водорода (H⁺) и ионов гидроксила (OH^-) в точности равны друг другу, и равно 10^-7М.

[H⁺] = [OH^-]=10^-7М.

Раствор, в котором концентрация ионов водорода и ионов гидроксила равны друг другу называется нейтральным. Так как ионное произведение воды является величиной постоянной, очевидно, что если концентрация ионов H⁺ превышает 10^-7М, то концентрация ионов OH^- должна быть меньше 10^-7М, и наоборот.

рН (пэ аш) является величиной, которая обозначает концентрацию водородных ионов в биологических системах. Величина pH – численно равна отрицательному логарифму концентрации ионов водорода. pH=-lg [H⁺]

pH нейтрального раствора равно 7. (-lg 10^-7=7) Чем выше в растворе концентрация ионов H⁺, тем ниже значение pH этого раствора.

Кислые растворы имеют pH <7, а щелочные pH >7. pH является основным показателем биологических жидкостей, например желудочный сок имеет рН 1,2 – 3,0 а кровь 7,1. В норме эти показатели являются постоянными, а при патологиях могут изменятся, поэтому определение величины рН имеет важное диагностическое значение для клинических исследований. (Величину рН измеряют при помощи стеклянных электродов, чувствительных к концентрации ионов Н⁺и эта величина выражается в значениях от 1 до 14). У людей страдающих тяжелой формой диабета, значение рН крови часто снижено по сравнению с нормальной величиной рН 7. Такое состояние называется ацидозом. Наоборот, при некоторых других заболеваниях величина рН у больных может быть выше нормы – состояние называемое алкалозом.От величины pH зависят многие важные свойства структуры биологических макромолекул, а также каталитическая активность ферментов.

Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза (иметь постоянное значение рН), является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систем организма. Буферными называются растворы с определённой устойчивой концентрацией водородных ионов, величина рН которого мало изменяется при добавлении небольших количеств кислоты (ионов H⁺), или основания (OH^-). Буферные растворы состоят из смеси слабой кислоты и её соли (напр., СН₃СООН и CH₃COONa) или слабого основания и его соли (напр., NH₃ и NH₄CI). Буферные растворы имеют большое значение для протекания процессов в биологических системах. Например, в организме постоянство водородного показателя рН поддерживается буферными смесями, состоящими из карбонатов и фосфатов. Фосфатная буферная система играет важную роль в поддерживании pH внутри клеточной жидкости.

Главной вне клеточной буферной системой служит бикарбонатная буферная система, которая регулирует pH плазмы крови за счет газообразной CO₂ , содержащейся в легких.

Буферными свойствами обладают аминокислоты, белки и другие органические вещества.

итак:

Вода является основным компонентом живой клетки и участвует во всех биохимических процессах клетки.

Уникальные свойства воды обусловленны наличием водородных связей между соседними молекулами воды.

Способность ионизации молекул воды опосредует особенности биологических жидкостей.

Многие важные биологические свойства макромолекул, в частности белков и нуклеиновых кислот, обусловленны их взаимодействием с молекулами воды в окружающей среде. Специфические трехмерные структуры белков, определяющие их биологическую активность, поддерживаются благодаря свойствам воды.

 

 

Лекция 4. Эпоха Петра Первого.