Презентация, доклад на тему Санкт-Петербургский государственный университетИнститут химииЛаборатория биомедицинской химии

Санкт-Петербургский государственный университет Институт химии Лаборатория биомедицинской химии

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
курс лекций

Владимир Владимирович Шаройко,
доктор биологических наук, доктор медицины
E-mail: sharoyko@gmail.com

Предмет биологической химии. История становления и задачи биологической химии.
Биополимеры, их строение, свойства и функции.

Структура курса биохимии

Первый семестр
Введение в биохимию



Экзамен

Второй семестр






Экзамен.

Лекция №1. Введение

Введение в биохимию.
Определение жизни.
Уровни организации живых систем.
Химический состав организмов.
Липиды. Строение и биологические функции.
Биополимеры, их строение и свойства

Что такое биохимия?

Биологическая химия = биохимия = химия жизни
Биохимия использует принципы химии и физики для объяснения биологии на молекулярном уровне.
Основные принципы биохимии являются общими для всех живых организмов

Биохимия - это наука, изучающая качественный и количественный состав, а также пути, способы, закономерности, биологическую и физиологическую роль превращения вещества, энергии и информации в живом организме.

Термин «биохимия» предложил в 1858 г. австрийский врач и химик Винцент Клетцинскй, написавший книгу «Компендиум по биохимии». Долгое время использовался другой термин – физиологическая химия.

28 апреля 1883 г. в Санкт-Петербурге было основано первое в мире биохимическое (биолого-химическое) общество, основателями которого было 16 человек: Н.Н. Лунин, Э. Эйхвальд, В. Анреп, К. Дегио, И. Биль, А. Пель, Р. Штерн, Фр. Лесгафт и др.

Что такое биохимия?

Разделы биохимии

Статическая биохимия - исследует качественные и количественный химический состав живых организмов.

Динамическая биохимия - изучает совокупность превращений веществ, энергии и информации в живом организме.

Функциональная биохимия - изучает химическую основу функций тканей, органов, систем органов и межорганных взаимодействий.

Биохимия для разных отраслей

Медицина

Сельское хозяйство

Индустрия

Экология

Основные разделы биохимии

Структура и функции биологических макромолекул.
Метаболизм – катаболизм и анаболизм.
Молекулярная генетика и молекулярная биология. Воспроизведение организмов. Регуляция синтеза белка.

История биохимии

Представления античных философов (Аристотель, Платон)
VI-X вв. – развитие в Европе алхимии
XVI-XVII вв. – ятрохимия (Парацельс), виталистические взгляды
Середина XVII – конец XVIII вв. – эмпирический период
конец ХVIII – середина ХIХ вв. – аналитический период
1828 г. - Ф. Велер впервые синтезировал мочевину
1839 г. – Ю. Либих установил, что в состав пищи входят белки, жиры и углеводы.
1845 г. - Г. Кольбе синтезировал уксусную кислоту

История развития российской биохимии

1847 г. – А.И. Ходнев – первый учебник по физиологической химии
1864 г. – А.Я. Данилевский – первая кафедра физиологической химии при Казанском университете.
1891 г. – М.В. Ненцкий – первая биохимическая лаборатория в Институте экспериментальной медицины (Петербург).
1880 г. – Н.И. Лунин – открытие витаминов.
1896 г. – А.Н. Бах – создание теории перекисного окисления.
1899 г. – И.П. Павлов, Н.П. Шеповальников – открытие проферментов.
1903 г. – М.С. Цвет – открытие метода хроматографии
1912 г. – В.И. Палладин – создание теории биологического окисления

История российской биохимии

1854 г. - М. Бертло синтезировал жиры.
1861 г. - А.М. Бутлеров заложил научные основы органической химии синтезировал углеводы.
1864 г.- А.Я. Данилевский основал первую кафедра физиологической химии при Казанском университете.
XX в. – современный период
20-30-е годы – развитие биохимии углеводов и липидов
30-е годы – развитие биохимии гормонов и витаминов.
40-50 годы – биохимия нуклеиновых кислот и белков.

Выдающиеся представители российской биохимической школы

Российская школа биохимиков
А.Н. Бах
1921 г. организовал в Москве Научно-исследовательский биохимический институт Наркомздрава.
1935 г. – А.Н. Бах - возглавил в Москве Институт биохимии АН СССР, названный впоследствии его именем.
А.И. Опарин - автор первой теории происхождения жизни.
Акад. В.А. Энгельгардт
В 1959 г. – основал Институт молекулярной биологии АН СССР
Автор классических работ по окислительному фосфорилированию, механохимии мышц, углеводному обмену и др.

Акад. Ю.А. Овчинников – работы в области мембранной биологии.
Акад. А.С. Спирин – работы по молекулярным механизмам биосинтеза белка.
Акад. В.П. Скулачев – работы по биоэнергетике.

Выдающиеся представители российской биохимической школы

Once upon a time, a long long time ago…..

Vitalism: idea that substances and processes associated with living organisms did not behave according to the known laws of physics and chemistry

Evidence:
Only living things have a high degree of complexity
Only living things extract, transform and utilize energy from their environment
Only living things are capable of self assembly and self replication

Origins of Biochemistry: A challenge to “Vitalism.”

Famous Dead Biochemist!

Fallacy #1: Biochemicals can only be produced by living organisms

Dead Biochemist #1

Fallacy #2: Complex bioconversion of chemical substances require living matter

1897 Eduard Buchner

Dead Biochemists #2

Glucose + Dead Yeast = Alcohol

Emil Fischer

Fallacy #2: Complex bioconversion of chemical substances require living matter

Dead Biochemists #3

Fallacy #2: Complex bioconversion of chemical substances require living matter

Dead Biochemists #4

Findings of other famous dead biochemist

1944 Avery, MacLeod and McCarty identified DNA as information molecules
1953 Watson (still alive) and Crick proposed the structure of DNA
1958 Crick proposed the central dogma of biology

Что такое жизнь?

Попытки определения понятия:

«магнит одушевлен, т.к. способен притягивать железо»


«одушевлены все тела природы»

Фалес VI век до н.э.

Б. Спиноза (XVII в)

«Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных этих тел»

«Всеобщность молекулярного обновления (обмена веществ) у растений и животных и во всех их частях, его постоянство, не допускающее остановки, делают из этого явления всеобщий признак жизни»

Клод Бернар (XIX в)

Ф.Энгельс (XIX в)

“Жизнь - … это работа специальным образом организованной системы, направленная на понижение собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды”

«Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот»

Эрвин Шредингер (1887-1961)

М.В. Волькенштейн (1912-1992)

Живые организмы как открытые системы

Система – множество элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и связанных прямыми и обратными связями, образуя целостность.

Открытые системы: обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

Открытые системы: явления самоорганизации, усложнения или спонтанного возникновения порядка.

Общая теория систем

Людвиг фон Берталафани
(1901-1972)

Свойства систем

Синергичность — однонаправленность действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы.
Эмерджентность —функции компонентов системы не всегда совпадают с функциями системы.
Целостность — первичность целого по отношению к частям.
Иерархичность — каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы
Адаптивность — стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды

Неравновесные системы

Предпочтительность одних состояний другим – явление упорядоченности,
т.е. убывание энтропии.
Самоорганизация в неравновесных системах

Последовательность состояний системы – ТРАЕКТОРИЯ СИСТЕМЫ

Наиболее вероятные состояния системы - АТТРАКТОРЫ

«Неравновесность может стать источником
упорядоченности»

Существует точка зрения, что жизнь можно рассматривать как результат
специфического отбора на пути длительной эволюции, который прошли
самоорганизующиеся системы.

Илья Пригожин (1917-2003)

Свойства живых систем

1) Примерно одинаковый химический состав
2) Обмен веществом и энергией
3) Самовоспроизведение
4) Способность к росту и развитию
5) Раздражимость
6) Дискретность

1 Ангстрем = 0.1 нм

Уровни организации живой материи

атомы
органические молекулы (мономеры)
макромолекулы (полимеры)
супрамолекулярные комплексы
органеллы
клетки
ткани и органы
системы органов
организмы

Уровни организации живой материи

Уровни организации живой материи

организм

популяция

вид

Уровни организации живой материи

Экосистема, биогеоценоз

Биосфера

Элементы жизни

Всего обнаружено в живых организмах 80 элементов, но только для 30 известны функции

Макроэлементы

Содержание которых в живых организмах составляет больше 0,001 % на сухую массу. Составляют 99% сухой массы клетки
Из них на биогенные макроэлементы приходится 98%: кислород (65-75%), углерод (15-18%), азот(1,5-3%) и водород (8-10%)

O C H N Ca P
K S Cl Mg Na Fe

Микроэлементы

Содержание в организме 0.001-0.000001%
Входят в состав гормонов, ферментов и других компонентов клетки

Zn Cu I F B Co Mo V Br
Cr Mn Se Si Ge Ni

Ковалентная связь углерод-кобальт - единственный в природе
пример ковалентной связи металл-углерод.

Co

Ультрамикроэлементы

Концентрация меньше 0.000001 %
Физиологическая роль не установлена

Au Hg U Be Cs Ra и др.

Состав химических соединений живой клетки

Неогранические вещества
Вода от 50 до 90%
Соли и др. неорг. вещ-ва 1-1.5%

Низкомолекулярные органические вещества
липиды 1.5%
прочие 0.1%

Высокомолекулярные органические вещества
Белки 10-20%
Углеводы 0.2-20%
Нуклеиновые кислоты 1-2%

Роль воды

Универсальный растворитель

Водородные связи

Высокая теплоемкость

Участник многих реакций

Транспорт веществ в организме

Осмос

Значение осмоса в биологических процессах

Мембрана клетки полупронецаема! =>Белки остаются внутри клетки.

Растения - осмос увеличивает объём вакуоли, и она распирает стенки клетки (тургорное давление).

Осмос участвует в переносе питательных
веществ в стволах высоких деревьев.

Ионы в клетке

Важнейшие анионы: Cl-, HCO3-, H2PO4-

Важнейшие катионы: K+, Na+, Ca2+, Mg2+

Буферные свойства

Нерастворимые соли в костной ткани и раковинах

monomer

polymer

supramolecular
structure

lipids
1-5%

proteins
10-20%

сarbo
0,2-2%

nucleic acids
1-2%

Органические вещества клетки

Липиды

Белки (протеины)

Углеводы

monomer

polymer

supramolecular
structure

monomer

polymer

supramolecular
structure

Нуклеиновые кислоты

Общие моменты:

Биополимеры образуются в реакции поликонденсации

Биополимеры деградируют в реакции гидролиза.

Липиды

большая группа веществ биологического происхождения, хорошо растворимых в органических растворителях: метанол, ацетон, хлороформ, бензол и т.д.

Нейтральные жиры: эфиры глицерина и карбоновых кислот

стеариновая

пальмитиновая

олеиновая

Карбоновые кислоты

Незаменимые жирные кислоты не синтезируются в организме и должны поступать с пищей.

Из Кольман, Рем
«Наглядная биохимия»

Фосфолипиды

Из Кольман, Рем
«Наглядная биохимия»

Изопреноиды

Все липиды произошли от одного предшественника — ацетилкофермента А [ацетил-КоА (ацетилCoA)], представляющего собой активированную форму уксусной кислоты

Из Кольман, Рем
«Наглядная биохимия»

Витамин А

Провитамин А – β каротин

Витамин А - ретинол

Родопсин (белок с хромофорной группой)

1) Поглощение кванта света
2) хромофорная группа (11-цис-ретиналь) переходит в транс-форму
3) разложение родопсина
4) возбуждение зрительного нерва

СТЕРОИДЫ

Из Кольман, Рем
«Наглядная биохимия»

Стероиды

Структура мембран, желчные кислоты, гормоны, витамины

Простагландины

Е1

Е2

Липидные медиаторы – обнаружены во
всех органах и тканях животных.
Аспирин – ингибитор синтеза простогландинов.

Функции липидов

1) Структурная

2) Энергетическая

3) Запасная

4) Изоляционная

5) Регуляторная

6) Рецепторная

БИОПОЛИМЕРЫ

Гомополимеры – один тип мономеров
Гетерополимеры – более одного типа мономеров


Регулярные –А-В-А-В-А-В-
Нерегулярные -А-С-В-А-Г-А-

Литература