БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИНИ

Методичні вказівки для самостійної

позааудиторної роботи студентів з теми №2:

“БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИНИ”

 

Актуальність теми: Біохімічний склад живих організмів суттєво відрізняється від хімічного складу компонентів неживої природи. Знання структури та функцій основних компонентів клітин є передумовою вивчення біологічної хімії – науки про хімічну будову біомолекул та їх взаємоперетворення.

Тривалість заняття: 6 годин

Навчальна мета:

Знати: біохімічні компоненти клітини; функції біомолекул в живих організмах; головні класи біомолекул, що складають основу структури та функції живих організмів.

Вміти: пояснити взаємозв’язок будови та функцій біомолекул у тканинах організму.

Засвоїти практичні навички: Розрізняти основні класи біомолекул за структурою та функціями.

Базові знання

Дисципліна Отримані навички
Неорганічна хімія

Органічна хімія

 

Знати теорію хімічного зв’язку

Знати класифікацію, номенклатуру та характеристику основних класів органічних сполук

Контрольні питання:

  1. Особливості хімічного складу живих організмів.
  2. Біохімічні компоненти клітини.
  3. Функції біомолекул в живих організмах.
  4. Головні класи біомолекул.
  5. Походження біомолекул.

 

Конспект теми:

Біохімічний склад живих організмів суттєво відрізняється від хімічного складу компонентів неживої природи на Землі та відомих космічних об’єктах.

У живих організмах в складі біоорганічних сполук та у вільному стані виявлено більше 40 різних хімічних елементів, що знаходяться також у складі літосфери та атмосфери.

Разом з тим, кількісний склад та розподіл хімічних елементів у живих організмах та в земній корі суттєво відрізняються, тобто виникнення життя в умовах Землі було пов’язане з відбором хімічних елементів. Найбільшу кількість (більше 99% елементного складу) в живих організмах складають такі елементи, як вуглець (С), кисень (О), водень (Н), азот (N), фосфор (Р), сірка (S), що в 20-200 разів перевищує їх вміст у об’єктах неживої природи. Ці елементи входять до складу всіх біоорганічних сполук живих організмів (біомолекул) і отримали назву біоелементів, або органогенів.

Біохімічні компоненти клітини

Біомолекули – біоорганічні сполуки, що входять до складу живих організмів та приймають участь в утворенні клітинних структур і беруть участь в біохімічних реакціях, які становлять сутність обміну речовин та фізіологічних функцій живих клітин.

Функції біомолекул у живих організмах:

а) участь у біохімічних реакціях обміну речовин в ролі субстратів та проміжних продуктів (метаболітів). Прикладами є моносахариди та їх фосфорні ефіри, жирні кислоти та продукти їх окислення, амінокислоти, кетокислоти, дикарбонові кислоти, пуринові та піримідинові основи тощо;

б) участь в утворенні інших, більш складних молекул – білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів (наприклад, амінокислоти, нуклеотиди, вищі жирні кислоти тощо), або біологічних структур (мембран, рибосом, ядерного хроматину тощо);

в) участь у регуляції біохімічних процесів та фізіологічних функцій окремих клітин та цілісного організму. Біомолекулами-регуляторами є вітаміни, гормони та гормоноподібні сполуки, внутрішньоклітинні регулятори – циклічні нуклеотиди цАМФ, цГМФ тощо.

Головні класи біомолекул, що складають основу структури та функції живих організмів.

Білки та амінокислоти.

 

Рис. Стрктурні формули основних протеїногенних амінокислот

 

Білки (протеїни) – найважливіший клас біомолекул, з наявністю яких, а також нуклеїнових кислот, пов’язують саму хімічну сутність життя в умовах Землі. Білки є біополімерами, що складаються з двадцяти L-амінокислот, які утворилися в умовах хімічної еволюції на етапі “переджиття” і становлять разом з нуклеотидами молекулярну абетку будь-якої живої клітини. Головний внесок у становлення уявлень про пептидну будову білкових молекул зроблено видатним німецьким хіміком-органіком та біохіміком Е.Фішером.

Нуклеїнові кислоти та нуклеотиди.

Нуклеїнові кислоти – дезоксирибонуклеїнові (ДНК) та рибонуклеїнові (РНК) – біополімери (біомакромолекули), що складаються з п’яти основних нуклеотидів пуринового та піримідинового ряду, є носіями генетичної інформації у всіх живих організмах, починаючи від найпростіших вірусів до організму людини. Лінійна послідовність певних мононуклеотидів у складі генетичних молекул нуклеїнових кислот детермінує послідовність амінокислотних залишків у відповідному білку (пептиді). Сутність генетичного (біологічного) коду полягає в тому, що послідовність із трьох нуклеотидів (триплет, або кодон) у молекулі ДНК або РНК відповідає одній із двадцяти L-амінокислот, що включається на певне місце пептидного ланцюга, який синтезується.

А

В

 

Рис. 1. Утворення фосфодіефірного                  Рис. 2. Утворення водневих звязків

зв’язку у молекулі ДНК                                        у молекулі ДНК

 

Відкриттю нуклеїнових кислот – хімічних сполук, вивчення структури та властивостей яких принципово змінило обличчя сучасних біології та медицини, – людство зобов’язане швейцарському лікарю та біохіміку Ф.Мішеру (1869 p.), який вперше виявив у клітинних ядрах (nucleus) фосфатовмісні сполуки кислого характеру. Дж. Уотсон та Ф. Крік постулювали для молекули ДНК структуру типу “подвійної спіралі”, що стало передумовою розкриття основних закономірностей її подвоєння – реплікації та пояснило фундаментальну загадку життя – можливість консерватизму спадковості шляхом копіювання спадкових ознак у прийдешніх поколіннях. Подальша розшифровка генетичного коду, тобто відповідності послідовностей триплетів нуклеотидів в молекулах генетичних нуклеїнових кислот послідовностям амінокислот в білкових молекулах, та з’ясування біологічних функцій різних класів РНК дозволило сформулювати основні закономірності молекулярної біології, які визначають напрямки перенесення біологічної інформації у всіх живих системах: ДНК → РНК → білок.

Вуглеводи та їх похідні

А                                                      В

С

Рис. Структурні формули моносахариду глюкози (А), дисахариду сахарози (В) та гомополісахариду глікогену (С)

 

Вуглеводи – клас біомолекул, що складається з моносахаридів, гомо- та гетерополісахаридів. В організмі людини та тварин моносахариди (глюкоза, фруктоза, галактоза) та гомополісахарид глікоген виконують енергетичні функції; гетерополісахариди (до складу яких, як мономери, входять переважно аміноцукри – гексозаміни та їх N-ацетильовані похідні) беруть участь в утворенні біологічних структур (мембран, глікокаліксу, сполучної тканини).

Ліпіди та їх похідні

Ліпіди – біомолекули різноманітної хімічної будови, головною особливістю яких є їх гідрофобний характер. Ліпіди виконують численні біологічні функції: виступають енергетичним матеріалом (триацилгліцероли, або нейтральні жири), є основою структури біомембран (фосфоліпіди, гліколіпіди), це і фізіологічно активні сполуки з регуляторною дією (стероїдні гормони, жиророзчинні вітаміни, ейкозаноїди).

 

Насичені жирні кислоти

Загальна формула: CnH2n+1COOH або CH3-(CH2)n-COOH

Тривіальна назва

Раціональна напіврозвернута формула

Знаходження

Мурашина кислота НСООН Виділення залоз мурашок
Оцтова кислота CH3COOH Оцет, продукти окислення багатьох р-вин
Масляна кислота CH3(CH2)2COOH Вершкове масло, деревний оцет
Валеріанова кислота CH3(CH2)3COOH Валеріана(рослина)
Капронова кислота CH3(CH2)4COOH Нафта
Лауринова кислота CH3(CH2)10COOH
CH3(CH2)11COOH
Пальмітинова кислота CH3(CH2)14COOH
Стеаринова кислота CH3(CH2)16COOH
CH3(CH2)17COOH

 

Мононенасичені жирні кислоти

Загальна формула: СН3-(СН2)m-CH=CH-(CH2)n-COOH (m=ω-2; n=Δ-2)

Тривіальна назва

Раціональна напіврозвернута формула

Вінілоцтова кислота СН2=СН-СН2-СООН
Лауроолеїнова кислота СН3-СН2-СН=СН-(СН2)7-СООН
Мірістоолеїнова кислота СН3-(СН2)3-СН=СН-(СН2)7-СООН
СН3-(СН2)11-СН=СН-(СН2)-СООН
Пальмітолеїнова кислота СН3-(СН2)5-СН=СН-(СН2)7-СООН
Олеїнова кислота СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СООН
Нервонова кислота СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)13-СООН

Поліненасичені жирні кислоти

Загальна формула: СН3-(СН2)m-(CH=CH-(CH2)х(СН2)n-COOH

Тривіальна назва

Раціональна напіврозвернута формула

Сорбінова кислота СН3-СН=СН-СН=СН-СООН
Лінолева кислота СН3(СН2)3-(СН2-СН=СН)2-(СН2)7-СООН
Ліноленова кислота СН3-(СН2)-(СН2-СН=СН)3-(СН2)6-СООН
Ліноленова кислота СН3-(СН2-СН=СН)3-(СН2)7-СООН
Арахідонова кислота СН3-(СН2)4-(СН=СН-СН2)4-(СН2)2-СООН

 

Вітаміни – сполуки, що не синтезуються в тваринних організмах, але необхідні для життєдіяльності, зокрема є компонентами метаболізму, за участю яких функціонують певні найважливіші ферментні системи. Вітаміни повинні постійно надходити в організм у складі продуктів харчування, переважно рослинного (більшість водорозчинних вітамінів) або тваринного (деякі жиророзчинні вітаміни) походження.

 

Гормони – біомолекули, що є передавачами хімічних сигналів у системі ендокринної регуляції. Завдяки регуляторній дії гормонів, медіаторів нервової системи та наявності локалізованих на клітинах-мішенях біохімічних структур, що специфічним чином реагують на дію цих біорегуляторів зміною своєї функціональної активності (клітинних рецепторів), відбувається інтеграція окремих анатомо-фізіологічних систем у цілісний багатоклітинний організм.

Крім зазначених біоорганічних молекул, до складу всіх живих організмів входить певна кількість вільних амінокислот, азотистих сполук, нуклеотидів, низькомолекулярних моно-, ди- і трикарбонових кислот, спиртів, амінів, що є проміжними продуктами обміну речовин. У всіх живих організмах міститься значна (стала) кількість води та мінеральних елементів (зокрема кальцію, калію, натрію, магнію, заліза, марганцю, хлору, йоду), що виконують специфічні регуляторні та структурні функції, беруть участь як кофактори в багатьох ферментативних реакціях, є компонентами металозалежних ферментів.

Хімічний склад живих клітин відрізняється у прокаріотів та еукаріотів, і в багатоклітинному організмі суттєво залежить від функціональної спеціалізації клітини, що, в свою чергу, визначається її диференціацією, яка відбувається протягом раннього онтогенезу. Середній кількісний хімічний склад організму людини подано в табл.

Біохімічний склад усіх живих організмів знаходиться у стаціонарному стані, тобто в стані постійного оновлення всіх клітинних компонентів, яке забезпечується безперервним обміном речовинами та енергією з навколишнім середовищем – метаболізмом. Для всіх класів біомолекул характерна середня тривалість напівжиття, протягом якого компоненти певної біологічної структури (цілого організму, органу, тканини, клітинної структури) обмінюються наполовину. В організмі людини Т1/2 білків усього тіла складає в середньому 12 тижнів, білків печінки – 2 тижні, білків м’язів – 27 тижнів; напівоновлення білків кісткової тканини займає багато місяців.

 

Таблиця. Загальний хімічний склад організму людини масою 65-70 кг

Біохімічний компонент

Вміст, % маси тіла

Маса, кг

Білки 18 11-14

Нуклеїнові кислоти

1 0,7-1,0
Вуглеводи 1 0,7-1,0
Ліпіди (жири) 14 9-10
Вода 61 40-42

Мінеральні сполуки

5 3,5-4,0

 

Основні біохімічні перетворення біомолекул, які становлять сутність обміну речовин, відбуваються внутрішньоклітинно, в субклітинних органелах – ядрі, мітохондріях, рибосомах, ендоплазматичному ретикулумі, лізосомах, пероксисомах, апараті Гольджі. Для кожної субклітинної структури притаманна певна сукупність ферментів, що в ній містяться, та певна послідовність реакцій обміну речовин – компартменталізація метаболізму. У зв’язку з динамічним станом всіх біологічних структур живі організми повинні постійно отримувати із середовища у вигляді продуктів харчування основні біомолекули – білки, вуглеводи, ліпіди, вітаміни, а також воду і певні неорганічні сполуки. Залежно від того, в якому вигляді організм отримує з навколишнього середовища енергію та вуглець, необхідні для побудови власних біомолекул – метаболітів і структурних елементів – усі організми поділяються на два класи: аутотрофи (мікроорганізми та рослинні організми, що синтезують свої вуглецьвмісні молекули із атмосферного діоксиду вуглецю та води за рахунок енергії сонячного світла) та гетеротрофи (тваринні організми, до яких належить організм людини, що отримують вуглець у вигляді складних органічних молекул з їжі та енергію за рахунок реакцій біологічного окислення).

Оскільки живі організми є нетепловими, ахімічними машинами, тобто системами, в яких різні види роботи здійснюються за умов сталої температури, джерелом енергії для ендергонічних процесів, що відбуваються в гетеротрофних клітинах, є хімічна енергія, яка звільняється в результаті реакцій окислення біомолекул – проміжних продуктів внутрішньоклітинного розщеплення моносахаридів (переважно глюкози), жирних кислот, гліцерину, деяких амінокислот. Основні реакції біологічного окислення, що вивільняють енергію, необхідну для процесів життєдіяльності, відбуваються в мітохондріях (саркосомах), у мембранах яких локалізовані також складні ферментні та іон-транспортуючі системи, які реалізують накопичення енергії окислювальних процесів у вигляді високоенергетичних (макроергічних) зв’язків АТФ.

 

Матеріали для самоконтролю:

  1. Білки входять до складу всіх клітинних компонентів тварин. Яка середня тривалість напівжиття білків печінки людини?

А. 2 тижні;  В. 1 місяць;  С. 10 днів;  D. 3 місяці;  Е. 5 тижнів

  1. Відомо, що в складі біоорганічних сполук та у вільному стані у живих організмах виявлено більше 40 різних хімічних елементів. Який хімічний елемент є найбільш розповсюдженим?

А. Вуглець;  В. Кисень;  С. Азот;  D. Сірка;  Е. Гідроген

  1. Ці біополімери містяться в ядрі клітини та є основними носіями спадкової інформації в організмі. Назвіть їх:

А. Нуклеїнові кислоти;  В. Нуклеотиди;  С. Білки;

D. Глікопротеїни;  Е. Вуглеводи

  1. Вода та розчинені в ній мінеральні солі складають внутрішнє середовище організму людини. Скільки відсотків від маси тіла людини складає вода?

А. 61;     В. 90;     С. 35;     D. 50;     Е. 70

  1. На судово-медичну експертизу надійшла кров дитини для встановлення батьківства. Які хімічні компоненти необхідно ідентифікувати в дослідній крові?

А. ДНК;     В. РНК;     С. Білки;     D. Ліпіди;     Е. Вуглеводи

  1. Біологічне окислення є основним молекулярним механізмом, за рахунок якого забезпечуються енергетичні потреби функціонування живих організмів. У яких клітинних органелах відбуваються основні реакції біологічного окислення?

А. Мітохондріях;  В. Пероксисомах;  С. Апараті Гольджі;

D. Рибосомах;  Е. Ядрі

  1. Біомолекули, що є передавачами хімічних сигналів у системі ендокринної регуляції називаються:

А. Гормонами;  В. Вітамінами;  С. Білками;

D. Ферментами;  Е. Ліпідами

  1. Відомо, що в деяких біогеохімічних зонах поширене захворювання на ендемічний зоб. Дифіцит якого біоелемента спричинює це захворювання?

А. Йоду;     В. Цинку;     С. Заліза;     D. Міді;     Е. Кобальту

 

Рекомендована література:

  1. Губський Ю.І. Біологічна хімія. – Київ – Тернопіль, 2007. – С. 25-33, 34-43, 60-72.
  2. Гонський Я.І., Максимчук Т.П., Калинський М.І. Біохімія людини. – Тернопіль: Укрмедкнига, 2002. – С. 1-34, 107-148, 154-160, 435-446, 348-356.
  3. Мещишен І.Ф., Пішак В.П., Григор’єва Н.П. Основи обміну речовин та енергії. – Чернівці: Медакадемія, 2005. – Розділ 2.
  4. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия, 1998. – С. 22-33.
  5. Мещишен І.Ф., Пішак В.П., Григор’єва Н.П. Основи клінічної біохімії. – Чернівці: Медик, 2000. – С. 9-52.
  6. Мещишен І.Ф., Яремій І.М. Клініко-біохімічні ситуаційні задачі. – Чернівці: Медик, 2005. – 84с.
  7. Мещишен І.Ф. Задачі з біохімії та алгоритми їх розв’язування. – Чернівці: Медакадемія, 2001. – 152 с.

 

ЗАВАНТАЖИТИ

Для скачування файлів необхідно або Зареєструватись

БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИНИ (114.7 KiB, Завантажень: 2)

завантаження...
WordPress: 22.95MB | MySQL:26 | 0,345sec