Введение в биохимию

Лекция 1. Введение в биохимию

 

Биохимия – наука о химических основах процессов жизнедеятельности. Биохимия изучает химические компоненты живых клеток, а также реакции и процессы, протекающие в них.

Клетка – минимальная единица жизни, способная к самовоспроизведению. Все клетки содержат структурные единицы меньшего размера, называемые органеллами.

Функциональное назначение органелл следующее:

- в ядре локализована  генетическая информация виде  двухспиральной ДНК, в ядре  осуществляется транскрипции (переписывания) этой информации на молекулу информационной РНК для последующего синтеза белков;

-в рибосомах осуществляется  синтез белка;

-в митохондриях осуществляется  синтез АТР – энергетической «валюты» клетки;

- лизосомах находятся гидролитические ферменты (Катаболизм белков);

- пероксисомах – ферменты  катализирующие обезвреживание  свободных радикалов  и других агрессивных молекул (Н₂О₂);

-эндоплазматический  ретикулум (ЭР) содержит ферментные  системы для преобразования неполярных  соединений, синтез клеточных мембран;

- аппарат Гольджи участвует в накоплении и созревании  продуктов синтеза ЭР;

-мембраны органелл  и клетки защитная и локализующая  функции;

-цитоскелет имеет  опорную функцию;

-цитоплазма имеет  полужидкое состояние (гель) в  котором происходят множество биохимических реакций;

- клеточная мембрана  отделяет внутреннее содержимое  клетки от внешней среды;

- все органеллы также  окружены мембранами.

 

Все компоненты клетки состоят из биомолекул. Биомолекулы    являются участниками химических реакций и процессов внутри клетки.

Основные классы биомолекул:

- белки; много

- углеводы; много

- липиды; много

- нуклеиновые кислоты. мало

Большинство биомолекул – ковалентные соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором или серой (макроэлементы). Физические и химические свойства любых молекул определяются их строением. Поэтому многие свойства могут быть предсказаны на основании структурной формулы. К таким свойствам относятся размеры, форма, взаимное расположение отдельных атомов и реакционная способность.

Все  процессы в клетки протекают в водной среде. Молекула воды имеет форму тетраэдра, в центре которого расположен атом кислорода. Молекула воды представляет собой электрический диполь. Поэтому каждая молекула воды, подобно маленькому магниту, притягивает к себе за счет образования водородных мостиков еще четыре молекулы.

Биполярное строение молекул воды благоприятствует образованию водородных связей. Поэтому у воды в жидком состоянии многие молекулы связаны между собой водородными «мостиками» (связями), причем образующиеся ассоциаты находятся в динамическом равновесии. Часто образуются тетраэдрические структуры, так называемые "кластеры" воды.

Вода является идеальным растворителем для диссоциирующих веществ. Процесс взаимодействия растворенного вещества в воде называется гидратацией.

Хорошо растворимы в воде ионные кристаллы и нейтральные соединения с несколькими гидроксильными группами, такие, как глицерин, поскольку он способен образовывать водородные связи с молекулами растворителя.

Водородные связи имееют большое значение для пространственной организации биомолекул. Хотя они относятся к слабым, но их количество обычно достаточно большое, чтобы молекула обладала необходимой прочностью.

Кроме водородных связей в организации трехмерной  структуры  биомолекул участвуют ионные или солевые мостики, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофофобные взаимодействия.

 

 

Вспоминаем

Водородная  связь

 Она образуется между молекулами, содержащими электроотрицательные атомы (О, N. Р, реже С1, Вг, S), которые имеют неподеленную электронную пару, и молекулами с активными атомами водорода. Активными называются атомы водорода, связанные с другим атомом сильно полярной ковалентной связью.

 

Эти атомы водорода обнаруживают остаточное сродство к электрону, за счет которого они образуют дополнительную связь с атомом, содержащим неподеленную электронную пару.

 

 

Атомы азота, кислорода, галогенов и ряд других атомов имеют в своих ковалентных  соединениях заполненные октеты, хотя не все окружающие их электроны  внешней оболочки участвуют в образовании ковалентных связей. Эти электроны образуют так называемые неподеленные электронные пары

      H 

      ..      

H:: N:

      ..

      H       

 

В молекуле воды атом кислорода электроотрицателен. Это означает, что он оттягивает на себя электроны, образующие связь более эффективно, чем атомы водорода. В результате в молекуле воды атом кислорода обретает частичный отрицательный заряд, а атомы водорода - соответствующие частичные положительные заряды.

Наиболее часто встречаются следующие связи:

-O-H…O-

-O-H…N-

-N-H…O-

-N-H…N-

 

Ионная связь

Возникает как следствие  электростатического притяжения между достаточно близко расположенными группами, несущими постоянные по величине заряды. Типичным примером таких связей может служить взаимодействие между отрицательно заряженной карбоксилатной и положительно заряженной аммонийной группами:

- СОО^- .....⁺NН₃ -

 

Ван-дер-ваальсовы  силы

Эти силы определяеют  слабые взаимодействия между тесно сближенными атомами, когда флуктуации электронной плотности в таких атомах индуцируют образование диполей. Эти силы специфичны и являются единственным типом слабых связей, возникающих между неполярными молекулами, которые неспособны образовать ионные и водорородные связи. Ван-дер-ваальсовы силы действуют между любыми двумя атомами, сели они сближены настолько, что их электронные оболочки почти соприкасаются. Однако, если атомы заставить сбличиться еще больше, их электронные оболочки начнут перекрываться, что приведет к возникновению сил отталкивания. Таким образом, ван-дер-вааль-совы силы эффективны лишь в учком диаиачоне межатомных расстояний.

 

Гидрофобные взаимодействия

При соприкосновении с водой молекулы гидрофобного вещества(все связи насыщены), например масло,  ее атомы не могут образовывать с водой водородные связи с окружающими молекулами воды.Это означает, что у пограничных с маслом молекул воды некоторая доля потенциально способных к связыванию атомов останется без партнеров. Чтобы уменьшить число подобных атомов, молекулы воды перестраиваются таким образом, что приобретают упорядоченность большую, чем в обычной воде (энтропия уменьшается). Это препятствует растворению в воде масла и других неполярных веществ и одновременно вызывает слипание отдельных непо-лярных молекул, поскольку при этом уменьшается совокупная площадь их контакта с молекулами воды. Внешне это выглядит как подталкивание неполярных молекул друг  к другу. Силы, действующие при этом, принято называть гидрофобными. Гидрофобные группы присутствуют и в белках, и в ДНК, и в других их внутриклеточных молекулах и потому играют важную роль в формировании их структуры. Просто удивительно, сколь многое в живых клетках определяется необходимостью «спрятать» гидрофобные группы от воды!

 

Ковалентная связь

При взаимодействии атомов, равных (атомы одного и того же элемента) или близких по электроотрицательности, переноса электронов не происходит. Образование электронной конфигурации благородного газа  (правило октета)для таких атомов происходит вследствие обобщения двух, четырех или шести электронов взаимодействующими атомами. Казкдая из обобщенных пар электронов образует одну ковалентную (гомеополярную) связь:

Cl-Cl    (одна общая пара)

O-O (две общих пары)

Атомы, связанные ковалентной  связью, также обладают полным октетом (или, в случае водорода, дублетом) электронов, так как электронная пара ковалентной связи принадлежит в равной мере обоим связанным ею атомам.

Ковалентная связь —  наиболее распространенный в органической химии тип связи. Эта связь обладает высокой прочностью.

Ковалентная связь и соответственно молекула могут быть неполярными, когда оба связанных атома имеют одинаковое сродство к электрону, например Н : Н. Такая связь обладает максимальной прочностью. Она может быть полярной, когда электронная пара вследствие большего сродства к электрону одного из атомов оттянута в его сторону:

 H-Cl

 

 

 Буферные растворы и значения рК_а

Биохимику совершенно необходимо понимать, что такое буферные растворы и что такое рК_а. Удобно выделить чту тему и отдельный раздел, дабы она не терялась в основном тексте.

В живых клетках рН поддерживаечея в пределах 7,2-7,4. Лишь в некоторых особых ситуациях рН выходит за эти пределы, например в полости желудка, где секретируется HCl,или влизосомах, куда специально закачиваются протоны. Постоянство рН соблюдается несмотря на то, что при метаболических процессах происходит, скажем, образование молочной и ццсюук-сусной кислот или имеет место характерное для крови превращение СО, в Н₂СО₃.

В значительной мере постоянство рН обеспечивается буферным действием слабых кислот. Термин слабая  кислота означает, что в данных условиях такая кислота лишь частично диссоциирована.

Карбоновая кислота  диссоциирует, высвобождая протон:

R-СООН «-» R-СОО^- + Н⁺

Донор и акцептор протона в этом и подобных ему уравнениях называют сопряженными кислотой и основанием, и общем виде уравнение диссоциации кислот можно записать так:

                             НА «-»      Н⁺  +А^-

Кислоты различаются  по склонности и к диссоциации. Говоря о том, что одна кислота более сильная, а другая - более слабая, имеют в виду, что первая из них диссоциирует легче. Так, в растворе 0,1 М муравьиной кислоты (НСООН) рН меньше, чем в растворе уксусной кислоты (СН₃СООН): последняя является более слабой. Способность кислоты к диссоциации можно количественно выразить константой диссоциации К_а , чем она больше, тем в большей степени кислота диссоциирует, т. е. тем она сильнее:

                     Ка= [H⁺] [A^-]/[HA]

 

Для уксусной кислоты К_л = 1,74 • 10^-5. Вместо константы диссоциации биохимики гораздо чаще используют родственный параметр рК_а, который связан с ней уравнением:

                                        рК_а = -lgK_a

Таким образом, рК_а уксусной кислоты равно 4,76, амуравьиной - 3,75. Эти значения представляют собой при котором кислота наполовину диссоциирована. С увеличением рН степень диссоциации кислоты возрастает, а с уменьшением рН падает.

Как связаны  значения рК_а и буферные растворы

Если понемногу добавлять  раствор 0,1 М NаОН к раствору 0,1 М уксусной кислоты и после каждой такой добавки измерять рН, то можно построить график на слайде 12. Такого рода эксперимент называется титрованием. В начале титрования добавляемые ионы ОН^- нейтрализуют присутствующие в растворе ионы Н⁺ (уксусная кислота слегка диссоциирована), а рН при этом увеличивается быстро. Однако, по мере того как рН приближается к рК_а уксусной кислоты, в ответ на каждую добавку щелочи все большая доля уксусной кислоты диссоциирует с образованием ацетата и водородных ионов. Последние все в большей степени нейтрализуют добавляемые ионы гидроксила, так что в результате изменения рН становятся все меньше. С учетом того, что ацетат натрия полностью диссоциирован, реакцию можно описать уравнением:

                                           CH₃COOH+ OH →CH₃COO^-

Точно так же,но другую сторону рК_а по шкале рН добавление в среду ионов Н⁺ вызывает относительно небольшие изменения рН благодаря следующей реакции:

                    СН₃СОО + Н⁺  →  СН₃СООН.

В этом и заключается  буферный эффект уксусной кислоты. Он максимален вблизи рК_а, где уксусная кислота и ацетат присутствуют в эквимолярных количествах.

 

 

 Для вычисления рН раствора, содержащего смесь сопряженной пары кислота-основание, можно использовать уравнение Гендерсона-Хасссльбаха:

 

                      [Соль]

рН =рК_а  + lg     —

                      [Кислота]

 

 

Оно применимо для  любой cмtси уксусной кислоты и ацетата, что позволяет подобрать ацетатный буферный раствор с нужным значением рН.

 

 Для раствора, содержащего 0,1 М уксусной кислоты и 0,1 М ацетата натрия:

рН = 4,76 + lg (0,1/0,1) = 4,76+ 0 = 4,76.

Если же раствор содержит 0,1 М уксусной кислоты и 0.2 М ацетата натрия.то

рН =  5,06.

Предположим, что к  раствору 0.1 М уксусной кислоты и 0,1 М ацетата натрия добавлена щелочь до концентрации 0,05 М. Тогда половина уксусной кислоты будет превращена в ацетат. После чего величина рН составит:

рН = 5,24

Смесь ацетат + уксусная кислота не обладает буферным действием при фичиологичееких значсниях рН, Однако в организмах есть вещества рК_а , которых почволяет им служить эффективными буферами при рН~7.

Важнейшим среди таких вешеств являются фосфатный ион и его производные. При диссоциации фосфорной кислоты может отщепляться 3 протона, причем отщеплению второго протона соответствует рК_а 6,86. Поэтому фосфат служит превосходным внутриклеточным буфером.