Биохимия

Контрольна з біохімії 
ЗМІСТ

 

1. Предмет і завдання курсу  «Біохімія». Структура та хімічний  склад живих організмів

Біохімія - галузь науки, що вивчає хімічний склад та хімічні процеси, які відбуваються в живому організмі в нормі, при патологіях, а також під впливом різних природних і штучних чинників. При цьому враховуються різні рівні структурної організації живого: цілісний організм, органи, тканини, клітини, субклітинні та молекулярні структури.

Основні напрямки досліджень:

- Хімічні складові  живого організму, починаючи з  простих неорганічних іонів та  молекул і закінчуючи складними  високоупорядкованими біомолекулами  та надмолекулярними утвореннями,  які зумовлюють такі специфічні ознаки живої матерії, як обмін речовин, саморегулювання процесів, спадковість, репродуктивність.

- Всі прояви  обміну речовин: розпад і біосинтез  білків, жирів, вуглеводів, низькомолекулярних  біологічно активних речовин,  специфіка та взаємозв'язок цих процесів.

- Біоенергетичні  процеси: шляхи утилізації енергії  обміну речовин і трансформації  її в різні функціональні прояви  живого організму.

Подібність елементарного хімічного складу клітин усіх організмів свідчить про єдність живої природи. Водночас у живих організмах не виявлено жодного хімічного елемента, який би траплявся в тілах неживої природи. Цим підтверджується спільність живої і неживої природи.

Найбільший вміст у  клітині чотирьох елементів: кисню (65-70 %), вуглецю (15-18 %), водню (8-10 %), азоту (2—3 %). Це органогенні елементи. Разом їх вміст становить 95—98 % загальної маси живого організму. Вміст у живому організмі таких елементів, як кальцій, калій, фосфор, сірка, силіцій, натрій, хлор, магній, залізо, становить десяті частки відсотка. Перелічені хімічні елементи належать до макроелементів. Кобальт, цинк, мідь, манган, хром, бром, бор, йод, літій, радій містяться у дуже малих кількостях (менше 0,01 %). їх називають мікроелементами. Важливість того чи іншого хімічного елемента для живих істот визначається не його кількістю. Багато мікроелементів входить до складу ферментів, гормонів та інших життєво важливих сполук, які впливають на процеси розмноження, кровотворення та ін. Наприклад, цинк входить до складу молекули інсуліну; кобальт — до складу ціанкобаламшу (вітаміну В₁₂) тощо.

Усі живі організми значно відрізняються від навколишньої неорганічної природи за кількісним хімічним складом. Великий вміст вуглецю в складі живих організмів пов'язаний з наявністю в них вуглецевмісних сполук, які називають органічними.

У деяких живих організмах нагромаджуються певні хімічні  елементи. Так у водоростях нагромаджується йод, у жовтці — літій, у болотній рясці — радій тощо.

Із неорганічних сполук у клітині найбільше води. Чим  вища інтенсивність обміну речовин у тій чи іншій тканині, тим більше вона містить води. В ембріона людини у віці 1,5 місяця вода становить 97,5 %, у восьмимісячного — 83, у немовляти — 74, у дорослої людини в середньому 66 %. Вміст води в різних органах і тканинах людського організму також різний. Так, мозок дорослої людини містить 86 %, печінка — 70, кістки — 20 % води. З віком вміст води у тканинах зменшується. Вода виконує в клітинах багато функцій: збереження об'єму, забезпечення пружності клітин, розчинення різних хімічних речовин. Крім того, вода — це середовище, в якому відбуваються всі хімічні процеси. Вона безпосередньо бере участь в усіх хімічних реакціях. Так, розщеплення жирів, вуглеводів та інших органічних сполук відбувається в результаті хімічної взаємодії їх з водою. Завдяки високій теплоємності вода захищає цитоплазму від різких коливань температури, сприяє терморегуляції клітин і організму. Частина молекул води (~15 %) у клітинах перебуває у зв'язаному з білковими молекулами стані. Вони ізолюють білкові молекули одну від одної в колоїдних розчинах.

Кальцій в організмі людини міститься в основному у складі кісток і зубів. Потреба дорослої людини в кальції — 0,8—1,0 г на добу. Значно більша кількість кальцію (до 2 г на добу) потрібна вагітним жінкам, жінкам, які годують немовлят, та дітям, в організмі яких кальцій використовується на утворення кісток.

Магній відіграє дуже важливу роль в організмі людини. Більша частина магнію міститься в кістках. Потреба дорослої людини в магнії — 400 мг на добу.

Натрій відіграє дуже важливу роль у процесах обміну речовин та регулюванні осмотичного тиску крові. Іони натрію викликають набухання колоїдів тканин і тим самим затримують в організмі зв'язану воду.

В організмі людини калій  бере участь у біохімічних реакціях, утворенні буферних систем. У присутності калію зменшується здатність білків утримувати воду, що допомагає виводити її з організму.

Фосфору належить провідна роль у функціонуванні центральної нервової системи. Сполуки фосфору найбільш поширені в організмі людини і мають велике значення у процесах обміну речовин у м'язах. Фосфор входить до складу АТФ — головного акумулятора енергії тваринного організму. Крім того, фосфор потрібен кожному клітинному ядру, тому що на нуклеїнових кислотах, які містять фосфор, записана програма побудови кожної клітини, програма побудови усього організму — спадковість. Добова потреба людини у фосфорі 1,6—2,0 г.

Йоду в організмі людини міститься небагато (20—30 мг). Половина цієї кількості знаходиться у щитоподібній залозі, а друга частина — у м'язах, кістках та крові.

Йод неорганічних сполук у щитоподібній залозі через кілька годин перетворюється в органічні  сполуки. Ці сполуки стимулюють обмінні процеси організму. Якщо в раціоні харчування недостатня кількість йоду, то порушується діяльність щитоподібній залози і розвивається тяжке захворювання — зоб.

Фтор відіграє важливу роль у пластичних процесах при утворенні кісток та зубної емалі. Недостатня кількість фтору в раціоні харчування викликає карієс зубів. Якщо в організм надходить збільшена кількість фтору, то виникає флюороз. Це захворювання супроводжується порушенням нормальної будови зубів, на емалі з'являються цятки, зуби стають крихкими.

Мідь поряд із залізом та кобальтом відіграє важливу роль у кровотворенні, стимулює процеси окиснення в організмі, допомагає синтезу білків, поліпшує засвоєння вуглеводів. Мідь прискорює ріст і підвищує врожайність багатьох сільськогосподарських культур.

Цинк міститься майже у всіх тканинах і рослин, і тварин. Недостатня кількість цинку може призвести до затримки росту молодого організму, а при його нестачі в землі виникають захворювання багатьох рослин. Цинк входить до складу деяких ферментів, він необхідний для нормального функціонування підшлункової залози, гіпофізу, регулює жировий обмін.

2. Білки

Білки – це високомолекулярні  складні азотисті сполуки..

Білки становлять майже  половину сухих речовин нашого організму  і виконують численні функції.

1. Вступаючи у взаємодію з нуклеїновими кислотами та іншими сполуками, білки утворюють основу всього живого. Дослідженнями багатьох вчених доведено, що швидкий ріст і розмноження клітин, утворення білкових секретів, активна фізіологічна перебудова клітинних білків супроводжуються значним нагромадженням нуклеопротеїдів у відповідних частинах клітин або тканин.

2. Білки — це головний будівельний матеріал для тваринного організму (як клітковина для рослинного). Наприклад, половина всього азоту білків печінки замінюється протягом 5— 7 днів, еритроцити крові повністю оновлюються за 3,5—4 місяці.

3. Білки їжі і тканин організму можуть використовуватися для утворення небілкових речовин, необхідних організмові (особливо при вуглеводневому або жировому голодуванні).

4. Білки — це джерело потенційної енергії для організму. 1 г білка при окисненні виділяє 23,5—17 кДж енергії.

5. Деякі білки (наприклад, у-глобулін) виконують захисну функцію, захищаючи організм людини від шкідливих мікроорганізмів (особливо вірусів) і несприятливої дії зовнішнього середовища.

6. Білки відіграють важливу роль у перетворенні хімічної енергії в механічну. Завдяки цьому м'язи можуть скорочуватися.

7. Дуже важлива транспортна функція білків, які переносять, а вірніше, протягують через мембрани клітин необхідні речовини і викидають з клітин непотрібні сполуки (шлаки). Наприклад, гемоглобін приносить у кожну клітину кисень, а забирає вуглекислий газ.

8. Деякі білки виступають як органічні високоактивні каталізатори, прискорюючи більшість реакцій, що проходять в організмі людини. Мова йде про білки-ферменти.

Найважливіші властивості білків, які проявляються при переробці, зберіганні і використанні харчових продуктів: амфотерність, гідрофільність, здатність денатуруватись, гідроліз, гниття та деякі інші.

Амфотерність білкової молекули обумовлена присутністю в  молекулі амінокислоти (а отже, в молекулі білка) двох функціональних груп: аміногрупи, яка надає білку лужних властивостей, і карбоксильної групи, яка є носієм кислих властивостей. Завдяки цьому кожна молекула білка має свою ізоелектричну точку (ІЕТ) — таке значення рН середовища, при якому її заряд дорівнює нулю. У такому стані молекула білка найменше дисоційована і стабільна, бо вона не має найважливішого фактора стабільності — заряду. Різні білки мають різне значення ІЕТ. Так, ІЕТ для гемоглобуліну — 6,7, казеїну молока — 4,6; у-глобуліну — 7,3, пепсину — 2,75.

Гідрофільність білків визначається здатністю диполів  води зв'язуватися іонами, іонними  та полярними групами. Оскільки молекула білка має на своїй поверхні значну кількість полярних груп, вона може зв'язувати велику кількість диполів води. Білки можуть вбирати до 300% води порівняно зі своєю сухою масою. Вода фіксується силовим полем полярних груп (СОО^-; NH ⁺; ОН^- тощо) кількома шарами.

Денатурацією називають будь-яке  не-гідролітичне порушення природної структури білкової молекули, яке викликає зміну його основних властивостей. Фактично це внутрішня перебудова молекули, яка не пов'язана з порушенням пептидних зв'язків. Внаслідок такої перебудови порушується унікальне розміщення і форма пептидних ланцюгів. Таким чином, при денатурації порушується четвертинний, третинний і вторинний рівні структури білка, і, як наслідок, змінюються його властивості. Здебільшого денатурація — процес невідновний.

Денатурація білків може викликатися найрізноманітнішими факторами, які викликають порушення тих форм зв'язку, завдяки яким були утворені відповідні рівні структури білкової молекули.

При денатурації білків змінюються деякі їхні властивості:

— форма і розмір молекули (деякі глобулярні білки стають схожими на фібрилярні);

— збільшується в'язкість, а іноді білок ущільнюється. Наприклад, зміна вигляду білкової частини курячого яйця при тепловій денатурації;

— атакованість протеолітичними ферментами (денатурований білок легше засвоюється);

— розчинність, тому що денатурований білок не може зв'язувати воду. Крім того, при денатурації білок може виділяти частину рідини (процес коагуляції). Ось чому іноді при обсмажуванні продуктів маса зменшується.

Гідроліз білків супроводжується  розривом пептидних зв'язків, тобто  порушенням первинної структури. При цьому утворюються такі проміжні продукти гідролізу, як альбумози, пептони, поліпептиди і нарешті амінокислоти. Продукти гідролізу легше розчиняються у воді, ніж самі білки, можуть надавати харчовим продуктам своєрідного смаку.

Гідролітичний розпад білків найчастіше каталізується ферментами, рідше — кислотами і лугами.

Гниття — це глибокий розпад білків під впливом мікроорганізмів з виділенням аміаку, сірководню, індолу, скатолу, меркаптанів. Харчові продукти, білки яких почали гнити, не тільки непридатні для їжі, а й небезпечні для здоров'я людини.

У природі відомо понад 2000 білків тваринного, рослинного і  мікробного походження. Усі ці білки  різноманітні за своїми біологічними властивостями, але близькі за хімічним складом. Створити єдину класифікацію білків поки що неможливо через недостатні знання структури багатьох білків. Ми вже говорили, що за амінокислотним складом білки можуть бути повноцінними і неповноцінними; за формою — глобулярними і фібрилярними. Крім того, білки поділяються залежно від складу на дві великі групи: прості, або протеїни, і складні, або протеїди.

Протеїни — це білки, які у своєму складі мають тільки залишки амінокислот, і тому при  гідролізі таких білків кінцевими продуктами є лише амінокислоти. До простих білків належать альбуміни, глобуліни, глютеліни, гістони, проламіни, протаміни.

Альбуміни — це білки, які розчиняються у воді, мають порівняно невелику молекулярну масу. До складу цих  білків входять такі амінокислоти, як лейцин, лізин, аспарагінова і глютамінова кислоти.

Глобулін не розчиняється у воді, але розчиняється в розбавлених розчинах нейтральних солей. Тваринний глобулін — це носій імунітету, тому його використовують для імунізації проти різних інфекційних захворювань. До складу глобулінів входять лізин, валін, лейцин, серин.

Глютеліни не розчиняються у воді і в нейтральних солях, але розчиняються в розбавлених  лугах. Вони багаті лізином і глютаміновою кислотою.