Основы биохимии для инженеров
Покупка
Под ред.:
Щукин Сергей Игоревич
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 359
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3210-3
Артикул: 179532.02.99
Доступ онлайн
В корзину
На современном научном уровне изложен материал по структурной и метаболической биохимии. Содержатся сведения по химическому составу биологических систем и структурной организации живой материи, описаны последовательности основных метаболических реакций, а также представлены главные направления развития этой новой отрасли науки и техники.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.
Для студентов высших технических учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки "Биомедицинская техника".
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 12.03.04: Биотехнические системы и технологии
- 19.03.01: Биотехнология
- ВО - Специалитет
- 06.05.01: Биоинженерия и биоинформатика
- 30.05.01: Медицинская биохимия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
УДК 557.1(075.8) ББК 28.072 Е80 Рецензенты: зав. кафедрой «Биохимия» Московского государственного университета прикладной биотехнологии д-р хим. наук, проф. Э.Г. Розанцев; зав. кафедрой «Общая и биоорганическая химия» Московского государственного медико-стоматологического уни- верситета д-р физ. наук, проф. А.С. Берлянд Ершов Ю. А. Е80 Основы биохимии для инженеров : учеб. пособие / Ю. А. Ер- шов, Н. И. Зайцева; под ред. С. И. Щукина – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. — 359, [1] с. : ил. – (Биомеди- цинская инженерия в техническом университете). ISBN 978-5-7038-3210-3 На современном научном уровне изложен материал по струк- турной и метаболической биохимии. Содержатся сведения по хи- мическому составу биологических систем и структурной организа- ции живой материи, описаны последовательности основных мета- болических реакций, а также представлены главные направления развития этой новой отрасли науки и техники. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых в Московском государственном техническом универси- тете имени Н.Э. Баумана. Для студентов высших технических учебных заведений, обу- чающихся по направлению подготовки «Биомедицинская техника». УДК 557.1(075.8) ББК 28.072 Ершов Ю.А., Зайцева Н.И., 2010 Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-3210-3 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010
ПРЕДИСЛОВИЕ Современная биохимия, изучающая протекание химических реакций в организме, представляет обширную научную область, в которую входят почти все отрасли химии и биологии. Высокий уровень знаний по этим дисциплинам – необходимое условие эф- фективной подготовки инженеров для работы в областях, смежных с медициной: биотехнологии и медицинской техники. Данное учебное пособие ориентировано на изучение биологи- ческой химии (биохимии) в техническом университете, и его со- держание соответствует курсу лекций, читаемых в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана. В учебном пособии на современном научном уровне изложен материал по структурной и метаболической биохимии. Рассмотре- ны основные биохимические компоненты организма человека и их роль в обеспечении различных биохимических процессов и физио- логических функций организма. Особое внимание уделено физи- ко-химической сущности биохимических процессов. На молеку- лярном уровне рассмотрены механизмы тех явлений, с которыми приходится встречаться в медицинской практике. Каждая глава учебного пособия содержит информацию, необ- ходимую специалисту при рассмотрении физико-химической сущ- ности процессов и их механизмов, происходящих в живом орга- низме на молекулярном и клеточном уровнях. Представлены методы, позволяющие выполнять расчет различных характеристик процессов. Такие знания позволят более глубоко понять функции как отдельных систем, так и организма в целом, а также его взаи- модействие с технической аппаратурой. Первые главы учебного пособия содержат материал по химиче- скому составу биологических систем и структурной организации живой материи, а также физико-химические законы, определяющие функциональные свойства биогенных веществ. Здесь же обсужда- ются принципы структурной организации биомолекул, рассматри- ваются структура и химические свойства белков, нуклеиновых ки- слот, углеводов и липидов, содержится информация о теории растворов, рассмотрены основные вопросы кинетики химических реакций и основы ферментативной кинетики. Изложение общих положений современной теории растворов электролитов служит основой для последующего изучения электролитного баланса чело-
веческого организма и выяснения последствий его нарушения. Кро- ме того, представленный теоретический материал является ключе- вым для понимания важнейшей роли буферных систем организма и кислотно-основного статуса крови человека, а также роли гидроли- тических процессов в метаболизме. Изложенные основы фермента- тивной кинетики дают представление о методах научного подхода к изучению механизмов протекания метаболических процессов и ка- талитической активности ферментов. В последующих главах описаны последовательности основных метаболических реакций. Вначале студент знакомится с такими важнейшими теоретическими обобщениями, как первое и второе начало термодинамики, некоторыми основными понятиями тер- модинамики открытых систем. Здесь приведены практические сведения по определению термодинамических параметров биохи- мических процессов. Изложенный материал позволит читателю получить представление об энергетическом балансе человеческого организма, о специфических особенностях преобразования одних видов энергии в другие в процессах жизнедеятельности. Далее рассмотрены метаболические пути превращения основных биомо- лекул: углеводов, белков и жиров. При этом акцент сделан на то, что многие на первый взгляд сложные процессы метаболизма лег- ко понять, если рассматривать их как этапы, необходимые для со- пряжения реакции расщепления аденозинтрифосфата с реакциями биосинтеза. Последняя глава книги посвящена вопросам биотехнологии. Представлены основные направления развития этой новой отрасли науки и техники. Особое внимание уделено современным научным подходам к математическому моделированию биотехнологических процессов микробиологического синтеза, начиная от моделей на- копления биомассы, антибиотиков, аминокислот и других продук- тов жизнедеятельности микроорганизмов и заканчивая моделями, учитывающими возрастную структуру популяции, автоселекцию и адаптацию микробных сообществ. Заключают книгу контрольные вопросы и задачи, разбитые по главам в соответствии с изложенным в них материалом. Авторы надеются, что учебное пособие будет полезно в про- цессе подготовки в технических вузах квалифицированных спе- циалистов, которые впоследствии будут работать в смежных с ме- дициной областях, и с благодарностью примут критические заме- чания и пожелания по изложенным в нем материалам.
1 ОСОБЕННОСТИ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ И БИОХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ Биологическая химия (биохимия) – наука о веществах, входя- щих в состав живых организмов, и о химических превращениях одних биогенных (синтезируемых живой природой) веществ в дру- гие. Иными словами, биохимия – это органическая химия биоген- ных веществ. Биохимия изучает процессы, протекающие в орга- низме, как in vivo (в живых системах), так и in vitro (в колбе). Провести четкие границы между биохимией и смежными наука- ми, такими как биология клетки, анатомия, физиология, генетика и фармакология, достаточно сложно, и чаще всего эти границы весьма произвольны. Перекрывание этих областей знаний не слу- чайно: зачастую у них общие объекты исследований, например нервная клетка, митохондрия и т.д., различны лишь подходы и методы изучения. 1.1. ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ БИОХИМИИ Биохимия сформировалась в самостоятельную науку в XIX в. Принципиальное значение для развития биохимии имел первый синтез мочевины – вещества, являющегося конечным продуктом белкового обмена у большинства позвоночных и человека, проведенный Ф. Велером в 1828 г. и подорвавший существовавшие до этого представления о «жизненной силе», якобы участвующей в синтезе различных веществ, который происходит в организме. Внедрение в биологию идей и методов физики и химии, а также стремление объяснить различные биологические явления, такие как наследственность, изменчивость, мышечное сокращение, строением и свойствами биополимеров привело в середине ХХ в. к выделению из биохимии молекулярной биологии. Биохимия – одна из наук, входящих в комплекс, включающий физико-химичес-
кую биологию (совместно с молекулярной биологией), биофизику и биоорганическую химию. Основной задачей биохимии является изучение химического состава живых организмов и химических процессов, лежащих в основе их жизнедеятельности. Предметом изучения современной биохимии являются функции биологических систем. Связь между химическими и физическими явлениями, лежащими в основе этих функций, изучает физическая биохимия – количественная биохимия, основанная на теоретических и экспериментальных методах физической химии, которая определяет законы протекания химической реакции, ее скорость, выход продуктов в зависимости от свойств участвующих в ней веществ и условий протекания процесса. Биохимические реакции осуществляются только в водной среде, как правило, при низкой (для человека около 37 С) и постоянной температуре. В физической химии используемые для исследований методы анализа подразделяют на физические и химические. К физическим относятся методы, не разрушающие изучаемый объект и базирующиеся в основном на спектральных свойствах вещества. Разделы физической химии, положения которых применяются при исследованиях, – это термодинамика, химическая кинетика, строение вещества. Химический анализ может быть качественным (т. е. отвечать на вопрос, из каких веществ состоит данная биологическая проба или объект) и количественным (сколько того или иного вещества на- ходится в объекте или пробе). Химический анализ – это предмет изучения аналитической химии. При помощи количественного химического анализа было определено, например, что в человеке содержится около 10 кг сухого вещества. Процессы, с которыми имеют дело биохимики, – одна из спе- цифических форм протекания химических процессов. Главной особенностью биологических систем является высокий уровень их организации. Биохимия дает представление о том, как химические законы проявляются в таких высокоорганизованных системах. 1.2. ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВЫСОКООРГАНИЗОВАННЫХ СИСТЕМАХ Понятие живой материи ввел В.И. Вернадский. Живым веще- ством он назвал совокупность масс всех организмов. Живой мир чрезвычайно многообразен. К настоящему времени биологи опи-
сали более миллиона видов живых организмов. Масса живого вещества на планете оценивается в 1013…1014 т. Каждый орга- низм представляет собой совокупность упорядоченно взаимодей- ствующих структур, образующих единое целое, называемое сис- темой. В живых системах процессы протекают непрерывно в сложных последовательных и параллельных химических реакци- ях, в результате которых происходит рост, деление, питание, вы- деление клеток, а также их движение и взаимодействие между собой. В биохимии вся совокупность химических превращений в живом организме объединена понятием метаболизм (обмен ве- ществ). Органические вещества неживого происхождения назы- вают абиогенными веществами, а продукты метаболизма – био- генными веществами. Отличительными признаками живого объекта являются сле- дующие. 1. Высокая организация при сложном внутреннем строении. Любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняет определенные функции (клеточное строение и специ- фичность клеток организма). 2. Способность к самовоспроизведению (рост, размножение). 3. Способность извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей среды. 4. Умение «обучаться» (термин, под которым подразумевается как способность реагировать на воздействие окружающей среды, изменяться, приспособляясь к ее условиям, так и приобретение новых навыков и свойств под воздействием этих условий – адап- тация, развитие). 5. Способность живого организма поддерживать постоянный состав внутренней среды вопреки резким изменениям внешних условий. Биохимические превращения выполняют следующие основные функции: 1) снабжение химической энергией за счет расщепления бога- тых энергией пищевых веществ; 2) превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, используемые в последующих метаболических процессах для построения клеточных компонентов (макромолекул); 3) сборка клеточных компонентов (белков, нуклеиновых ки- слот, липидов, полисахаридов и пр.);
4) синтез и разрушение биомолекул, выполняющих специфи- ческие функции клетки. Живые клетки поддерживают свою внутреннюю упорядочен- ность в динамическом стационарном состоянии за счет веществ и свободной энергии, поступающих из внешней среды и преобра- зуемых в процессе метаболизма. Для синтеза органических веществ живые организмы исполь- зуют неорганические вещества: воду, углекислый газ, аммиак, со- ли. Различия между растениями и животными состоят в том, что у животных подобный синтез происходит в значительно меньших объемах, так как ряд веществ поступает в их организм уже в «го- товом» виде. Живые организмы способны синтезировать большое количест- во соединений жирного и ароматического рядов. В синтезе угле- водов в организме участвуют органические молекулы, имеющие в своем составе три атома углерода: молекулы молочной кислоты, пировиноградной кислоты, глицерина и т. п. Эти вещества полу- чили название гликогенообразователей, так как с их участием в печени происходит синтез гликогена. Из продуктов превращения углеводов в организме образуются жиры. Из промежуточных продуктов превращения углеводов и жиров синтезируются некоторые α-кетокислоты: щавелевоуксус- ная, α-кетоглютаровая, пировиноградная и др. α-Кетокислоты, присоединяя аммиак, превращаются в соответствующие амино- кислоты. Однако в организмах животных происходит синтез не всех необходимых для жизнедеятельности аминокислот. Полный набор аминокислот, требующийся для образования белков, синте- зируется только в зеленых растениях. Животные организмы спо- собны к синтезу только некоторых циклических соединений, на- пример холестерина, основным «строительным» материалом которого является уксусная кислота. Организм человека не может синтезировать «простую» молекулу, имеющую бензольное кольцо, но легко синтезирует гетероциклические соединения – производ- ные пурина, пиримидина и пиррола. Исходными материалами для синтеза пурина являются молекулы глицина, углекислого газа, му- равьиной кислоты и глутамина. В синтезе пиримидина участвуют карбаминовая и янтарная кислоты. Все живые организмы подразделяют на две группы в зависи- мости от способа усвоения поступающего из среды углерода. Автотрофные клетки используют в качестве единственного источника углерода углекислый газ (СО2), из которого они строят
углеродсодержащие биомолекулы. К этой группе принадлежат фо- тосинтезирующие бактерии и клетки зеленых растений. Гетеротрофные клетки получают углерод в виде достаточно сложных органических соединений, например глюкозы. К ним от- носятся клетки животных и большинства микроорганизмов. Следует отметить, что в природе существуют организмы, со- держащие оба описанных выше типа клеток (авто- и гетеротроф- ные). Такие организмы носят название миксотрофы (от греч. mixis – смешение и trophe – пища, питание). Эти организмы об- ладают способностью питаться как неорганическими, так и орга- ническими веществами. К миксотрофам относятся имеющие хло- рофилл жгутиковые, способные в сильно загрязненных водоемах питаться органическими веществами, а также растения-полу- паразиты, насекомоядные растения. В биосфере автотрофы и гетеротрофы сосуществуют как участники единого цикла, при котором осуществляется непре- рывный круговорот углерода и кислорода между животным и растительным мирами (рис. 1.1). Источником энергии этого процесса является Солнце. Рис. 1.1. Круговорот углерода и кислорода между животным и растительным мирами Помимо углерода, кислорода и энергии всем живым организ- мам необходим азот. Азот требуется для синтеза аминокислот, пу- риновых и пиримидиновых оснований. Из 20 необходимых амино- кислот человек получает «готовыми» из пищи только 10, которые
Доступ онлайн
В корзину