Лекция 11. Человек и природа Биологическая химия (процессы происходящие в организме человека)

Началом биохимии следует считать 1828 год, когда Вёлер получил мочевину из неорганических соединений, т.е. доказал возможность получения органических соединений без «жизненной» энергии или «божественной» силы. В дальнейшем, Зинин получил анилин, Бертло – жиры, Бутлеров – углеводы, Данилевский и Фишер – пептиды, Ингрем – инсулин (первый белок).

Несколько позже Самнер и Нортроп выделели ферменты: уреазу и пепсин. Фишер открыл нуклеиновые кислоты, Лунин и Функ – витамины. Варбург и Сент-Дьерди вскрыли основу процессов получения энергии в организме. Полинг и Кори установили структуру простых белков, а Уотсон и Крик – структуру ДНК.

Работы Манассеиной, Кирхгофа и Лебедева легли в основу учения о ферментах, работы Павлова – о механизмах пищеварения, Баха и Палладина – о биологическом окислении, Энгельгарта – о значении АТФ в мышечном сокращении, Опарина – о происхождении жизни, Северина – об обмене веществ, а Браунштейна – об аминокислотном обмене.

В основе всех биохимических проявлений жизни лежат 2 уравнения:

        фотосинтеза: 6 СО₂ + 6 Н₂О + энергия Солнца  С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂

        обратной реакции – получение энергии в живых системах.

В Анти-Дюринге Фридрих Энгельс определил жизнь «как способ существования белковых тел». С белками мы встречаемся всюду, где встречается жизнь. Реакции с белками идут чрезвычайно быстро за счёт каталитических процессов, что, вероятно, и определяет скорость эволюции.

 Процентное содержание белков в человеческом теле – 19,6 %. При распаде белков в организмах животных выделяется значительное количество энергии, в частности, в организме человека выделяется 4,1 калории при сгорании 1 грамма белка.

 Белки выполняют в организме человека и животных огромное число разнообразных функций. В частности, гемоглобин снабжает клетки кислородом и удаляет углекислый газ. Транспорт жирорастворимых веществ (жиров, липоидов, витаминов А, D, E, K и т.д.) обеспечивается липопротеидами. Процессы передачи наследственной информации осуществляется нуклеопротеидами, составными частями которых являются нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Защитная функция обеспечивается креатином, а основу антител составляют g-глобулины.

 В составе белков более 50 % углерода, около 7 % водорода, около 22 % кислорода, примерно 16 % азота и 2 % серы. Есть также фосфор, йод, железо и другие минералы. Основной, структурной единицей белка – мономером – является аминокислота.

 Белки – высокомолекулярные соединения. Молекулярные веса белков огромны: от 5700 у инсулина до 6 000 000 у гемоцианина. Белки являются коллоидами, амфотерными электролитами и гидрофильными соединениями.

Аминокислоты – органические кислоты, у которых один из атомов водорода замещен аминогруппой NH₂. Аминокислоты являются амфотерными электролитами за счёт диссоциации карбоксильных и аминных групп. Аминокислоты могут содержать одну или 2 карбоксильные и одну или 2 аминогруппы, кроме того, существуют циклические и апициклические аминокислоты. Примерами циклических аминокислот являются: тирозин, триптофан и фенилаланин, две последние из которых являются незаменимыми и должны поступать в организм с пищей. Примерами ациклических аминокислот являются: L-глютаминовая кислота, L-метионин, L-валин, L-лизин, кстати 2 последние являются также незаменимыми.

 И так, белки – это структуры, содержащие аминокислоты, связанные в определённом порядке. И первым, кто внёс существенный вклад в понимание этого, был отечественный учёный А.Я. Данилевский ещё в работах 1888 года. В дальнейшем, Э. Фишеру удалось синтезировать полипептид из 19 аминокислот. Большой вклад в понимание структуры белков внёс Л. Полинг.

 Следует отметить, что структура белков у животных и человека существенно отличаются. Например, в гемоглобине крови собак метионина в 2 раза меньше, чем в крови человека и в 3 раза меньше, чем в крови крупного рогатого скота.

 Все белки в зависимости от состава делятся на простые – протеины, которые состоят только из аминокислот, и сложные – протеиды, в молекулах которых содержится и небелковая часть. Особенно важны нуклеопротеиды - носители генетической информации. Их небелковая часть - это рибо- и дезоксирибонуклеиновые кислоты (РНК и ДНК).

 Основным энергетическим топливом клеток являются трифосфорные кислоты. Особенно важна аденотрифосфорная кислота (АТФ), которая способна отдавать 8-10 ккал/моль.

 Генетические особенности каждого индивидуума заключены в определённой последовательности азотистых соединений, входящих в состав структуры ДНК, которая по своей структуре представляет собой пространственную двойную спираль.

 РНК также обнаружена почти во всех подклеточных субстанциях, но наибольшее её количество сосредоточено в рибосомах. РНК представлена 3 видами: информационная (и-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомная (р-РНК). Основной из них является информационная или матричная (м-РНК), которая отвечает за биосинтез белка. На и-РНК закодированы генетические особенности данного вида белка определённого органа или ткани. Эта РНК строится на ДНК, а значит повторяет все её особенности.

 Открытие структуры ДНК принадлежит американским учёным Уотсону и Крику, получившим за это нобелевскую премию. Но наиболее наглядно схема биосинтеза белка в рибосоме представлена в работах А.Н. Белозёрского и А.С. Спирина, где показано, как элемент ДНК – ген передаёт в ядре информацию м-РНК, которая затем «протягивается» через рибосому, где по ней формируется транспортная РНК, формирующая нужный белок

 Низкомолекулярные органические вещества, оказывающие на организм млекопитающих мощное биологическое воздействие в минимальных дозах, через участие в деятельности ферментов называются витаминами. “Трудно найти такой раздел физиологии и биохимии, который бы не соприкасался с учением о витаминах: обмен веществ, деятельность органов чувств, функции нервной системы, рост, размножение и т.д.” так определил значение витаминов один из основоположников отечественной биохимии академик А.М. Бах.

 О значении витаминов знает каждый. Недостаток витамина С ведет к цинге, В – к болезни бери-бери и т.д. Витамины делятся на водорастворимые и жирорастворимые. Начало изучению витаминов было положено русским врачом Н.И. Луниным в 1888 году. Следует упомянуть также голландского врача Эйкмана, английского учёного Степпа, польского учёного К. Функа и советского ученого Н.Д. Зелинского.

 Составной частью биохимии является ферментология или учение о ферментах – биологических катализаторах белковой природы, обладающих способностью активизировать различные химические реакции в организме. Значение ферментов образно определил И.П. Павлов, назвав их “возбудителями жизни”.

 История учения о ферментах восходит к исследованиям Реомюра и Спаланцани, поставивших вопрос об изучении желудочного сока. Но датой возникновения ферментологии принято считать 1814 год, когда русский учёный К.С. Кирхгоф получил первый фермент – амилазу – вещество, превращающее крахмал в сахар.

 Изучение каталитических процессов – основа понимания действия ферментов. С физической точки зрения катализаторы понижают потенциальный барьер взаимодействия молекул, при этом скорость протекания химической реакции существенно возрастает. Например, если скорость реакции разложения перекиси водорода принять за единицу, то эта же реакция в присутствии катализатора (платиновой черни) идёт в 20 тыс. раз быстрее.

 Однако каталитическое действие ферментов в живой материи существенно отличается от действия неорганических ферментов. В частности, фермент каталаза повышает скорость разложения перекиси водорода не в 20 тыс. раз, а в 2·10¹¹ раз! Кроме того, ферменты обладают высокой специфичностью действия.

 Однако действиями ферментов управляют гормоны. Поскольку механизмы действия гормонов до конца не выявлены, определение этого термина носит весьма общий характер. Гормоны – это биологически активные вещества различной химической природы, которые в незначительных дозах оказывают на организм очень сильное действие.

Гормоны вырабатывают железы внутренней секреции, т.е. такие железы, которые выделяют свои “секреты” прямо в кровоток. В частности, это щитовидная и паращитовидная железы, половые железы, надпочечники, поджелудочная, зобная, гипофиз и т.д. Иначе они называются эндокринными железами. Это всё называется гормональной системой, играющей важную роль в процессе обмена веществ.

 По определению Ф. Энгельса «…существенным моментом жизни является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причём с прекращением этого обмена прекращается и жизнь». И.М. Сеченов в 1884 году писал, идя ещё дальше: «Проследить судьбу внешнего вещества при странствии его по телу – значит описать всю историю жизни». И.П. Павлов рассматривал обмен веществ как основу физиологических функций организма.

 Обмен веществ состоит из двух процессов: ассимиляции – усвоения веществ и синтеза соединений и диссимиляции – расщепления и выведения из организма продуктов распада. В процессе диссимиляции из питательных веществ образуется энергия и исходные соединения, необходимые для процессов ассимиляции. Все реакции обмена веществ находятся под действием катализаторов (ферментов) и под контролем центральной нервной системы, которая по определению И.П. Павлова, является распорядителем деятельности всего организма.

 Баланс энергии организма определяется по калорийности пищи и выводимых из него конечных продуктов. Калорийность всех видов пищи давно определена, однако споры идут о необходимом числе калорий для разных видов трудовой деятельности.

 Процесс освобождения энергии пищи принято разделять на 3 этапа. На первом этапе сложные молекулы пищи разделяются на простые: белки – на аминокислоты, углеводы – на моносахара, жиры – на глицирин и жирные кислоты. На втором этапе из мономеров в клетках производится энергетический материал, и в первую очередь ацетил-Коа. Это дает 1/3 энергии клетке. Следующие 2/3 энергии клетка получает от цикла Кребса. На этом этапе ацетил-Коа полностью окисляется с образованием углекислоты и водорода. Водород поступает в цепь биологического окисления, где он окисляется до воды, с выделением энергии. (Напомним, что водород – это наиболее энергоемкое и экологически чистое топливо.) Смесь кислорода и водорода – это гремучая смесь, но в процессе биологического окисления она не возникает. Главная в этом процессе – адентрифосфорная кислота (АТФ).

 В изучении баланса энергии в тканях очень важен дыхательный коэффициент – отношение CO₂ к O₂. Так эта величина для мозговой ткани составляет 1,0. Дыхательный коэффициент можно определить и для пищевых продуктов, который для углеводов оказался равным 1, для жиров – 0,71, а для белков – 0,8.

 Помимо химии белков столь же важна химия углеводов и химия жиров, но разобравшись с химией белков, проблем с химией жиров и углеводов обычно не возникает. Кроме того, биохимия анализирует химические процессы в крови, при образовании мочи и пищеворений.