Лекция №3 1. История изучения органических веществ. Формирование биохимии

Тема: Органические вещества, их разнообразие и значение для существования живых существ. История изучения. Малые органические молекулы - липиды. Базовые понятия и термины: органические вещества, белки, жиры, липиды, углеводы, систематизация, реакции, практическое значение. План: 1.История изучения органических веществ. Формирование биохимии.

2.Направления исследований современной биохимии.

3. Общая характеристика органических веществ. Классификация.

4.Липиды. Общая характеристика. Классификация.

5.Функции простых и сложных липидов.

Содержание лекции:

1.История изучения органических веществ. Формирование биохимии. Химический состав живых организмов, вещества, входящие в их состав, и химические процессы, которые происходят в организмах, изучает наука биохимия.

К началу XIX века существовала общая уверенность, что жизнь не поддается физическим и химическим законам, характерным неживой природе. Считалось, что только живые организмы способны производить молекулы, характерные для них. Только в 1828 году Фридрих Велер опубликовал работу о синтезе мочевины, выполненный в лабораторных условиях, доказав, что органические соединения могут быть созданы искусственно. Это открытие нанесло серьезное поражение ученым-виталистам, которые исключали такую ​​возможность.

К тому времени уже существовал фактический материал для первичных биохимических законов, который накапливался в связи с практической деятельностью людей, направленной на изготовление еды и вина, получения пряжи из растений, очистки кожи от шерсти с помощью микробов, на изучение состава и свойств мочи и других выделений здорового и больного человека. После работ Велера постепенно начали устанавливаться такие научные понятия, как дыхание, брожение, ферментация, фотосинтез. Изучение химического состава и свойств соединений, выделенных из животных и растений, становится предметом органической химии (химии органических соединений). Начало биохимии также ознаменовался открытием первого фермента диастазы (сейчас известного как амилаза) в 1833 году Ансельмом Паеном. Сам термин «биохимия» был впервые предложен в 1882 году, однако считается, что широкое применения он приобрел после работ немецкого химика Карла Нойберга в 1903 году. К тому времени эта область исследований была известна как физиологическая химия. После этого времени биохимия быстро развивалась, особенно начиная с середины XX века, прежде всего благодаря разработке новых методов, таких как хроматография, рентгеноструктурный анализ, МР-спектроскопия, радиоизотопное мечение, электронная и оптическая микроскопия и, наконец, молекулярная динамика и другие методы вычислительной биологии. Эти методы позволили открыть и детального анализировать многие молекулы и метаболические пути клетки, такие как гликолиз и цикл Кребса.

2. Направления исследований современной биохимии. Сейчас биохимические исследования проводятся в трех направлениях, которые сформированы Майклом Шугаром. Биохимия растений исследует биохимию преимущественно автотрофных организмов, в том числе такие процессы как фотосинтез. Общая биохимия включает исследование, как растений, так и животных, и человека, а медицинская биохимия специализируется на биохимии человека и отклонениях биохимических процессов от нормы, в частности, в результате болезней. Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результате работ французского химика Антуана де Фуркруа и других ученых, у которых было отмечено свойство белков коагулировать при нагревании или под действием кислот.

К концу XIX века уже было исследовано большинство аминокислот, входящие ​​в состав белков. В 1894 году немецкий физиолог АльбрехтКоссель выдвинул теорию, что аминокислоты являются главными структурными элементами белков. В начале XX века немецкий химик Эмиль Фишер экспериментально доказал, что белки построены из остатков аминокислот, соединенных пептидными связями. После 1926 года также стала понятной центральная роль белков в организмах, когда американский химик Джеймс Самнер (впоследствии - лауреат Нобелевской премии) показал, что фермент уреаза также является белком. Идея о том, что вторичная структура белков образуется в результате формирования водородных связей между аминокислотами, была высказана Уильямом Астбери в 1933 году, но Лайнус Полинг считается первым ученым, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Позже Волтер Каузман, полагаясь на работы Кая Линдерстрем-Ланга, внес весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий. В 1949 году Фред Сэнгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки - это линейные полимеры аминокислот, а не разветвленные (как у некоторых сахаров) цепи, коллоиды или циклолы.

Особенностью исследований в начале XXI века является одновременное получение данных о белковом составе целых клеток, тканей или организмов – протеомика.

3. Общая характеристика органических веществ. Классификация. Основные органические вещества живых организмов можно разделить на следующие большие группы, как липиды, белки, углеводы и нуклеиновые кислоты и АТФ.

Органические соединения - это вещества, имеющие скелеты из ковалентно связанных атомов углерода способные присоединять атомы кислорода, Гидрогену. Изучением углерода и его соединений занимается отдельная отрасль химии - органическая химия. Карбон - один из самых уникальных элементов, который встречается в природе.

Карбон обладает уникальными свойствами, благодаря которым он является основным компонентом подавляющего большинства органических соединений:

1) Его атомы сравнительно малые и атомная масса невелика;

2) Способен образовывать четыре прочные ковалентные связи;

3) Образует углерод - углеродные связи, создавая, таким образом, длинные углеродные скелеты молекул в виде цепей или колец;

4) Образует кратные двойные связи;

Образует ковалентные связи с другими атомами (O, H, N, и др..). Это уникальное сочетание свойств обеспечивает чрезвычайное разнообразие органических молекул.

Чем еще определяется разнообразие органических соединений?

Она зависит от функциональных групп, входящих в эти соединения. Функциональная группа - это часть молекулы, имеет определенный химический состав и функции.

Органические вещества делятся на:

1) малые органические молекулы (мономеры): аминокислоты, глицерин, жирные кислоты, моносахариды, нуклеотиды;

2) макромолекулярные молекулы (биополимеры): белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

Макромолекулы построены из мономеров. Это относительно крупные структуры с высокой молекулярной массой. (Так, молекулярная масса белков составляет 5000 -1000000)

На биополимеры приходится около 90% сухой массы клетки.

Все эти вещества обычно представлены очень большими молекулами, в состав которых входят тысячи, десятки тысяч или даже миллионы атомов. Их мы можем назвать биополимерами, потому что состоят эти огромные молекулы из небольших компонентов, которые собраны в составе единой структуры.

Так, молекулы нуклеиновых кислот состоят из отдельных нуклеотидов, молекулы белков - из аминокислот, а молекулы олиго-и полисахаридов - измоносахаридов. Большинство липидов образуются из глицерина и жирных кислот. Помимо образования макромолекул малые биологические молекулы выполняют и различные специальные функции.

Особую группу органических веществ составляют биологически активные вещества, ферменты, гормоны, витамины. Они разнообразны по строению и способны влиять на обмен веществ и энергии в организме.

4. Липиды. Общая характеристика. Классификация. Липиды - это жироподобные или жирные вещества, которые могут быть экстрагированные из клеток с помощью неполярных растворителей (например, хлороформом). В состав молекул большинства липидов входят жирные кислоты и спирты. Липиды - это органические соединения с различной структурой, но общими свойствами: они нерастворимыми в воде, хорошо растворимы в неполярных органических растворителях. В живых организмах содержатся различные липиды, в частности фосфолипиды, жиры и стероиды т.д.. Из липидов распространенными и наиболее известными являются жиры. Содержание жира в клетке обычно невелико: 5-10% (от сухого вещества). Однако существуют клетки, в которых около 90% жира. У животных такие клетки содержатся, например, под кожей. Жир содержится в молоке всех млекопитающих. У некоторых растений большое количество жира сосредоточено в семенах и плодах (20-60), например, у подсолнечника, конопли, грецкого ореха. По химической структуре жиры являются сложными эфирами трёхатомного спирта глицерола и высокомолекулярных жирных кислот. Липиды традиционно делятся на простые и сложные. Простые состоят только из остатков жирных кислот (или альдегидов) и спиртов. Сложные липиды являются комплексом простых липидов с белками, углеводородами или производными фосфорной кислоты. Жирными называют карбоновые кислоты, содержащие в составе своейуглеродной «цепочки» от четырех до двадцати четырех атомов углерода. Хотя они могут случаться у живых организмов и в свободном виде, но большинство представлены как компоненты липидов. Особенности строения этих кислот обеспечивают их важными для живых организмов свойствами. Они состоят из карбоксильной группы и углеводородного "хвоста". Карбоксильная группа позволяет реагировать со спиртами, образуя липиды, а углеводородный «хвост» обеспечивает гидрофобные свойства. Жирные кислоты могут быть насыщенными (имеют только одинарные связи между атомами углерода) или ненасыщенными (могут иметь один или несколько двойных связей между атомами углерода). Оба эти типа жирных кислот находятся в природных липидах. Из насыщенных жирных кислот в живых организмах часто содержится пальмитиновая, стеариновая или лауриновая. Из ненасыщенных жирных кислот в живых организмах часто содержится олеиновая, линолевая, линоленовая и арахидоновая (для человека последняя кислота является незаменимой). Чаще простые липиды жирные кислоты образуются из трехатомного спирта глицерина. Эту группу соединений называют триглицеридами. Группа восков образуется вследствие взаимодействия жирных кислот с одноатомными спиртами. Кроме того, в группу простых липидов включают стероиды и терпены, которые являются производными изопреновых и не содержат в своем составе жирных кислот. Жиры.

Триацилглицеролы - это природные органические соединения, которые являются посредником глицерола и жирных кислот. Триацилглицеролы являются формой накопления жиров в организме и одним из основных источников энергии, это самые распространенные из природных липидов.

Сравнение жиров:

Калорийность жиров почти вдвое выше калорийности углеводов, поэтому они откладываются в организме животных как запасное питательное вещество. Жиры также служат для теплоизоляции и обеспечивают плавучесть. Масла чаще всего накапливаются в растениях (семена подсолнуха, кокосовой пальмы и др.). Фосфолипиды. Особенно важными жироподобными веществами являются фосфолипиды. Они, как и настоящие жиры, является эстерами глицерола и жирных кислот, но от настоящих жиров они отличаются тем, что содержат остаток ортофосфатнои кислоты. Фосфолипиды благодаря своему строению способны образовывать билипидный слой, являющийся основой биологических мембран. Из всех стероидов в организме человека в наибольшем количестве содержится холестерол. Стероидами также являются половые гормоны (эстрогены, прогестерон, тестостерон), витамин В. Воски используются животными и растениями как водоотталкивающие покрытия (пчелиные соты, покрытие перьев птиц, внешний покров листьев, плодов и семян некоторых растений) 5. Функции липидов:

Липиды очень широко представлены в живой природе и играют чрезвычайно важную роль в клетке и организме.

Строительная функция(структурная). Липиды участвуют в построении мембран всех органов и тканей, а также в образовании многих биологически важных соединений. Энергетическая функция. Липиды обеспечивают 25-30% всей энергии, необходимой для организма. В процессе полного распада 1 г жира выделяетс я 38,9 кДж энергии. Функция запасания питательных веществ. Жиры являются своеобразными «энергетическимиконсервами». Жировыми депо могут быть и капля жира внутри клетки и «жировое тело» у насекомых, и подкожная клетчатка у человека, в которой накапливается жир. Теплоизоляционная функция. Жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей, образуя в некоторых животных огромные скопления. Например, у кита слой подкожного жира достигает 1 м. Это позволяет теплокровным животным жить в холодных полярных водах. Защитная функция. Слой жира защищает нежные органы от ударов и сотрясений (например, околопочечная капсула, жировая подушка вокруг глаза). Жироподобные соединения покрывают тонким слоем листья растений, не давая им намокать во время сильных дождей. Гормональная функция ( регуляторная). Большинство липидов являются предшественниками гормонов. Например, к липидам относятся половые гормоны человека и животных: эстрадиол (женский гормон) и тестостерон (мужской гормон). У многих млекопитающих существует специальная жировая ткань, котораявыполняет преимущественно роль терморегулятора, своеобразного биологического «обогревателя». Эту ткань называют «бурым жиром». В ней вырабатывается энергия, имеющая для млекопитающих большое значение в условиях жизни при низких температура. Узнайте больше:

Из ненасыщенных жирных кислот в клетках человека и животных синтезируются такие регуляторные вещества, как простагландины. Они обладают широким спектром биологической активности: регулируют мускулатуры внутренних органов, поддерживают тонус сосудов, регулируют функции различных отделов мозга, например, центра терморегуляции. Повышение температуры тела при некоторых заболеваниях связано с усилением синтеза простагландинов и возбуждением центра терморегуляции. Широко применяемый в медицине аспирин тормозит синтез простагландинов и таким образом снижает температуру тела. Жир может быть поставщиком, так называемой эндогенной воды. Из 1 кг жира во время его окисления образуется около 1,1 л воды. Благодаря этой воде существует немало пустынных животных, например, песчанки, тушканчики. Жир, который накапливается в горбах верблюда, также является источником воды. Контроль знаний и умений:

Дать ответы на вопросы:

1.Какие группы органических веществ вы знаете? 2.Какие органические вещества называют моносахаридами, белками, липидами? 3.Какие бывают липиды? Которые их свойства? Функции? 4.Дайте толкование понятия биохимия. Домашние задание: пересказ конспекта, Лек. № 3