Презентация на тему Биохимия, как наука

в состав живых организмов, их превращения, а также связь

этих превращений с деятельностью органов и тканей

физико-химическими и биологическими законами

Жизнь является высшей формой существования

материи

систем
Обеспечивается в первую очередь участием особых биополимеров – белков

и нуклеиновых кислот, обладающих не только уникальной последовательностью чередования мономерных звеньев, но и уникальной пространственной структурой или небольшим набором таких структур
Белки и нуклеиновые кислоты способны высокоспецифично образовывать комплексы с определенными лигандами

самосовершающийся и саморегулируемый круговорот веществ, протекающий в процессе существования

живой материи и сопровождающийся ее постоянным самообновлением
Обмен веществ неразделим с сопутствующим ему процессом обмена энергии
Саморегуляция химических превращений в организме
Передача наследственных признаков
осуществляется при посредстве нуклеиновых кислот

химического состава (качественного и количественного) живого организма

соединений и взаимосвязанные с ними превращения энергии в процессе

жизнедеятельности организма

могут быть:
последовательными (цепи):
А → В → С → D

параллельными:



(дихотомический и апотомический пути окисления глюкозы)
образовывать циклы:



(цикл Кребса, цикл мочевины)

апотомический
распад
взаимопревращения
фосфорилирование
Полисахариды
Олигосахариды

Моносахариды
Пентозофосфаты
Гексозофосфаты
Г-1-Ф
фосфоролиз
Брожение Гликолиз Дыхание (ЦТК)


Анаэробно

Аэробно

Г-6-Ф

ПВК

Рл-5-Ф

Дыхание

пространстве и времени. Образуется единая система управления этими процессами,

подчиняющаяся физическим и биологическим законам
Изучение законов управления биохимическими процессами – задача фукциональной биохимии
Функциональная биохимия выясняет связи:
между строением химических соединений и процессами их видоизменения
между функцией субклеточных частиц специализированных клеток, тканей и органов, включающих в свой состав упомянутые вещества

растений
биохимия микроорганизмов

и растительных организмах существуют и коренные различия, прежде всего

в характере обмена веществ
Растения…(?)
строят сложные вещества своего тела (углеводы, жиры, белки) из Н2О, СО2 и минеральных веществ
энергия, необходимая для этого, потребляется за счет поглощения света (фотосинтез)

воды и минеральных компонентов, но и из сложных веществ

органической природы – белков, жиров, углеводов
проявления жизнедеятельности и синтез веществ, входящих в состав тела, обеспечиваются за счет химической энергии, освобождающейся при распаде или окислении сложных органических веществ

…
есть автотрофные и гетеротрофные типы обмена веществ
микроорганизмы характеризуются широким

кругом содержащихся в них веществ и реакций, не встречающихся у животных и растений

строения, содержания и преобразования в процессе жизнедеятельности организмов химических

соединений, общих для живой материи в целом
Биоорганическая химия выясняет физико-химические основы функционирования важнейших систем живой клетки, используя идеи, методы и приемы химии
структурный и стереохимический анализ
синтез природных соединений и их аналогов
разработка методов получения природных веществ, их химической модификации и т. д.

и функциональную активность комплексов неорганических ионов с органическими молекулами,

их участие в процессах жизнедеятельности, возможность использования координационных соединений в качестве моделей биологических систем
Медицинская биохимия исследует состав и превращения веществ и энергии в организме человека в норме и патологии
Ветеринарная биохимия – то же у животных

важнейших пищевых продуктов, изучает превращения, происходящие при их производстве

и хранении, разрабатывает способы применения биохимических процессов в промышленности
Сравнительная биохимия сопоставляет состав и пути видоизменения веществ у организмов различных систематических групп
Эволюционная биохимия изучает состав и пути превращения веществ у организмов в эволюционном аспекте

состава и обмена веществ в организме при действии на

него ионизирующих излучений и разрабатывает методы биохимической защиты от радиации
Квантовая биохимия сопоставляет свойства, функции и пути превращения в организме соединений, имеющих биологическое значение, с их электронными характеристиками (квантово-химические расчеты)
Космическая биохимия занимается исследованием биохимических проблем, связанных с освоением человечеством космического пространства

биологии, медицине, сельском хозяйстве, промышленности

обеспечивающих существование биологической формы движения материи
Зародилась в недрах биохимии,

на стыке биологии, химии, физики, математики и кибернетики
заложены основы для понимания механизма биокатализа и управления процессами жизнедеятельности
выявлены закономерности биосинтеза макромолекул
разрабатываются методы конструирования генов и внедрения их в клетку с целью изменения их генетических свойств – генная инженерия
найдены новые подходы к пониманию явлений изменчивости и наследственности

биохимия
химическая зоология
фитохимическая экология
Таким образом, описательный характер биологических наук все

более изменяется в направлении познания сущности биологических явлений, настала эра химической биологии

и применения лекарственных веществ
выяснение причин заболеваний, определение нарушений и

путей лечения (наследственные, вирусные заболевания и т. д.)
диагностика заболеваний:
биохимический анализ:
↑ глюкозы в крови – сахарный диабет
↓ уровня γ-глобулинов в крови – снижение сопротивляемости организма
↑ цис в моче – поражение почек
определение активности ферментов:
↑ активности креатинкиназы, аспартатаминотрансферазы и лактатдегидрогеназы – инфаркт миокарда
↑ активности амилазы – заболевания поджелудочной железы
↑ активности щелочной фосфатазы – рахит и т. п.

разнообразных химических препаратов в животноводстве и растениеводстве (минеральные удобрения,

микроэлементы, витамины, белковые добавки, аминокислоты, кормовые антибиотики, средства защиты растений)
разработка методов раннего прогнозирования продуктивности сельскохозяйственных животных по биохимическим тестам
биохимическая паспортизация генетического фонда с целью отбора пар для скрещивания при выведении новых пород животных и сортов растений
регуляция роста и развития растений и животных путем целенаправленного изменения их генотипов и др.

(кормовой белок, аминокислоты, антибиотики, витамины, гормоны, ферменты)
использование достижений биохимии

в промышленности:
пищевая (хлебопечение, виноделие, сыроварение, консервирование продуктов, производство чая, жиров, переработка молока, мяса)
кожевенная, текстильная, крахмалопаточная, мясная (применение ферментных препаратов)
использование биокатализа, матричного принципа биосинтеза и др., в химической промышленности

разрабатывающей научные основы производственных процессов, в которых используются принципы

биохимических превращений

веществ
соотношение между количеством поступившего в организм вещества и выделившихся

продуктов его распада
Таким путем определяется баланс N, C
Изучение энергетического баланса
Определяют соотношение между энергетической ценностью питательных веществ, входящих в состав суточного рациона, и энергетическими тратами организма за этот же период

меток («меченых» атомов) позволяет проследить путь «меченого» атома в

обмене веществ – примеры (?)
Использование радиоактивных изотопов лежит в основе чувствительных аналитических методов, к числу которых относится радиоиммуноанализ гормонов, присутствующих в микроколичествах
Различие в массе изотопов, особенно при переходе от 1Н к 2Н и 3Н, часто сильно влияет на скорости реакций; проводимое на этой основе изучение кинетических изотопных эффектов позволило лучше понять механизм многих ферментативных реакций и все детали их стереохимии

(Е. С. Лондон, 1919)
Сосуды исследуемого органа выводятся наружу, и

в оттекающей от него крови определяют введенные в кровоток вещества и продукты их превращений
Метод переживающих тканей
Выделение тканей из организма и содержание их в среде, обеспечивающей нормальное функционирование
Затем определяют продукты обмена, образующиеся в процессе жизнедеятельности тканей
Разновидность – метод тканевых срезов, в котором используют тонкий срез ткани исследуемого органа

гомогенизации клеток
Исходный материал – свежая ткань или осадок спрессованных

клеток микроорганизма, получаемый с помощью центрифугирования
Ткань измельчают в мясорубке (или пестиком в ступке с кварцевым песком) или в гомогенизаторе
Клетки микробов чаще всего разрушают с помощью ультразвука или продавливанием через пресс под высоким давлением
Метод азотной бомбы, попеременное замораживание и оттаивание

гомогенизации клеток
Сырой гомогенат процеживают и обычно центрифугируют
Более крупные частицы

клеток осаждаются при низких скоростях вращения (неразрушившиеся клетки, ядра), затем более мелкие (митохондрии, лизосомы, затем рибосомы, осколки ЭПС)

соединений и продуктов их превращений
Цветные реакции. Определяемое соединение

с соответствующим реактивом дает окрашенный продукт

Спектральные методы связаны с воздействием на вещество электромагнитного излучения

– УФ-, ИК-спектроскопия и спектроскопия ЯМР…
Приборы: электрофотоколориметры, спектрофотометры, спектрофлюорометры, пламенные фотометры и др.
Прижизненные методы: оптическое зондирование объекта позволяет во многих плоскостях («строках»), не останавливая происходящие процессы, проследить за динамикой составляющих их реакций

биополимеры нестабильны и в реакции с водой распадаются на

мономеры (гидролизуются)
Гидролиз катализируют ионы Н+, ОН– и ферменты
Гидролиз может быть полным или частичным, неспецифическим или направленным на определенные связи в молекуле полимера
После гидролиза определяют структуры полученных фрагментов и выясняют структуру полимера в целом различными методами

в суммарном заряде, который несут молекулы при данном рН
Этот

заряд легко оценить по числу кислых и основных групп в молекуле
При некотором рН он становится равным 0 – изоэлектрическая точка pI
Электрофорез основан на различной скорости перемещения молекул в электрическом поле. Способы:
на бумаге
гель-электрофорез: полиакриламидный гель позволяет разделить молекулы и по размеру, и по электрическому заряду

веществ между подвижной (поток жидкости или газа) и неподвижной

(твердой или жидкой) фазами
По характеру фаз, с помощью которых производится разделение, – газовая, газожидкостная и жидкостная хроматографию
По типу взаимодействия разделяемых веществ с фазами – адсорбционная, распределительная, ионообменная

разнице в размерах молекул
В качестве полупроницаемого барьера применяют тонкую

полупроницаемую мембрану, которая пропускает малые молекулы, а крупные задерживает

сит или ситовая хроматография)
То же, что диализ, но в

качестве барьера используется различные гели с трехмерной сетчатой структурой: декстраны (сефадекс), полиакриламиды, пористые силикагели, цеолиты и др.
При разделении смеси небольшие молекулы диффундируют через поры набухшего в растворителе геля, а крупные молекулы проходят через пространство между частицами геля
При промывании геля растворителем в первую очередь перемещаются крупные молекулы, а затем мелкие

веществ (например, гемоглобинов), дающих различные спектры поглощения лучей света

картинам, получаемым при прохождении через кристалл рентгеновского пучка, определяют

межатомные расстояния и устанавливают структуру кристалла
Широко применяется для определения структуры молекул белков и нуклеиновых кислот
Длины и углы связей, точно установленные для малых молекул, используются как стандартные значения в предположении, что они сохраняются такими же и в более сложных полимерных структурах
Одним из этапов определения структуры белков и нуклеиновых кислот является построение молекулярных моделей полимеров, согласующихся с рентгеновскими данными и сохраняющих стандартные значения длин связей и валентных углов

– поглощение электромагнитных волн в радиочастотном диапазоне ядрами атомов,

обладающими магнитным моментом
Поглощение кванта энергии происходит, когда ядра находятся в сильном магнитном поле ЯМР-спектрометра
Различные по химическому окружению ядра поглощают энергию в несколько отличающемся по напряжению магнитном поле (или, при постоянном напряжении, несколько отличающиеся по частоте радиочастотные колебания)
В результате получается спектр ЯМР вещества, в котором магнитно несимметричные ядра характеризуются определенными сигналами – «химическими сдвигами» по отношению к какому-либо стандарту
Спектры ЯМР дают возможность определить число атомов данного элемента в соединении и число и характер других атомов, окружающих данный

резонансное поглощение излучения электронами

увеличивающий объекты в миллионы раз
Первые электронные микроскопы появились в

1939 г.
Обладая разрешением ~0,4 нм, электронный микроскоп позволяет «увидеть» молекулы белков и нуклеиновых кислот, а также детали строения клеточных органелл
В 1950 г. были сконструированы микротомы и ножи, позволяющие делать ультратонкие (20–200 нм) срезы тканей, предварительно залитых в пластмассу

тех случаях, когда расшифровать глубинные структуры и их изменения

не удается с помощью вышеназванных методов
Томографы – компьютерная аппаратура, позволяющая послойно проанализировать любой орган или клеточный органоид, не нанося ему повреждений
Суммарная обработка лавинообразной информации, поступающей в результате использования всех вышеназванных методов
Быстрый синтез и анализ научной информации

М.: Высшая школа, 1988
Березов Т. Ю., Коровкин Б. Ф.

Биологическая химия. – М.: Медицина, 1988
Грин Н., Стаут У, Тейлор Д. Биология: В 3-х т. Т. 1. – М.: Мир, 1990
Ермолаев М. В., Ильичева Л. П. Биологическая химия. – М.: Медицина, 1989
Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высшая школа, 1998
Кузнецов В. И., Идлис Г. М., Гутина В. Н. Естествознание. – М.: Агар, 1996