Замай Т.Н. и др. Биохимия

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

1.2. Основные разделы биохимии



Биохимия. Учеб. пособие

-11-

Наиболее важные задачи спортивной биохимии:

1. Выявление и оценка биохимических факторов, лимитирующих

уровень спортивных достижений.

2. Изучение биохимических сдвигов у спортсменов в процессе

тренировочных занятий.

3. Изучение биохимических характеристик восстановительных

процессов после соревновательных и тренировочных нагрузок.

4. Установление биохимических критериев, оценивающих

эффективность тренировочного процесса, а также

целесообразность применения специальных средств,

направленных на повышение работоспособности и ускорение

восстановительных процессов.

Решение этих задач позволит повысить эффективность управления

подготовкой спортсменов и добиться более высокого уровня спортивных

достижений.

Рис. 1. Взаимосвязь спортивной биохимии с другими науками

1

.

3

.

О

с

н

о

в

н

ы

е

з

а

к

о

н

о

м

е

р

н

о

с

т

и

с

т

р

о

е

н

и

я

и

м

е

т

а

б

о

л

и

з

м

а

м

а

к

р

о

м

о

л

е

к

у

л

в

ж

и

в

ы

х

с

и

с

т

е

м

а

х

По своему химическому составу организмы сильно отличаются от

окружающей среды, в которой они живут. Большинство химических

компонентов живых организмов представляют собой органические

соединения, в которых углерод находится в относительно восстановленной

Биохимия спорта

Биохимия мышечной

активности человека

Теория и методика

спорта

Физиология

спорта

Гигиена

спорта

Спортивная морфология.

Биомеханика физических

упражнений

Спортивная

медицина

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

1.3. Основные закономерности строения и метаболизма макромолекул в живых системах



Биохимия. Учеб. пособие

-12-

или гидрированной форме. Многие биомолекулы содержат азот. В неживой

материи углерод и азот распространены гораздо меньше. Они встречаются в

атмосфере и в земной коре только в виде простых неорганических

соединений.

Органические соединения, входящие в состав живого, разнообразны, а

большинство из них крайне сложны. Каждый вид организмов имеет свой

собственный набор молекул белков и нуклеиновых кислот. Поскольку

известно свыше 1200000 видов живых организмов различной степени

сложности можно рассчитать, что все виды вместе взятые содержат

приблизительно от 10

10

до 10

12

различных белков и около 10

10

нуклеиновых

кислот. Но как это ни парадоксально, все огромное разнообразие

органических молекул в живых организмах, в конечном счете, сводится к

поразительно простой картине. Макромолекулы в клетке состоят из

большого числа простых и сравнительно небольших молекул, которые

служат строительными блоками, связываясь друг с другом в длинные цепи.

Например, молекулы белков построены из 100 или более аминокислотных

остатков. В белках обнаружено всего 20 различных аминокислот, однако

благодаря тому, что они соединены друг с другом в разной

последовательности, они образуют огромное множество всевозможных

белков. Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, имеют длинные полимерные

цепи и состоят всего из 8 строительных блоков - мононуклеотидов. При этом

20 аминокислот и 8 мононуклеотидов - одни и те же у всех организмов.

Немногочисленные простые молекулы, играющие роль строительных

блоков макромолекул, выполняют в клетках еще несколько функций.

Аминокислоты служат не только строительными блоками белковых

молекул, но также предшественниками гормонов, алкалоидов, порфиринов,

пигментов и многих других биомолекул, а мононуклеотиды используются не

только как строительные блоки нуклеиновых кислот, но также аккумулируют

энергию. Поэтому представляется вполне вероятным, что биомолекулы,

играющие роль строительных блоков, отбирались в процессе эволюции по

своей способности выполнять не одну, а несколько функций. Живые

организмы не содержат не функционирующих соединений, хотя существуют

биомолекулы, функции которых пока неясны.

При всей сложности молекулярной организации клетки для нее

характерна изначальная простота: тысячи ее различных макромолекул

построены из немногочисленных типов простых молекул - строительных

блоков. Поскольку биомолекулы, являющиеся строительными блоками,

идентичны у всех видов организмов, можно сделать вывод, что все живые

организмы имеют общего предка. Под функциональным многообразием

молекул, являющихся строительными блоками, кроется принцип

молекулярной экономии.

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ



Биохимия. Учеб. пособие

-13-

1

.

4

.

П

р

е

в

р

а

щ

е

н

и

е

э

н

е

р

г

и

в

ж

и

в

ы

х

к

л

е

т

к

а

х

Живые организмы подчиняются законам термодинамики. Первый

закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни

уничтожена. Следовательно, живые организмы не могут ни создавать

энергию из ничего, ни уничтожать ее, они могут только преобразовывать

одну форму энергии в другую. Живые организмы потребляют из

окружающей среды энергию в той форме, в которой они могут использовать

ее в конкретных условиях температуры и давления, и затем возвращают в

окружающую среду эквивалентное количество энергии в другой форме,

менее пригодной для них. Полезная энергия, утилизируемая клеткой,

называется свободной энергией, и ее можно определить просто как энергию,

способную производить работу при постоянных температуре и давлении.

Энергия, возвращаемая клеткой в окружающую среду, обычно выделяется в

форме тепла и других бесполезных для нее форм энергии, это приводит к

уменьшению упорядоченности среды, т.е. к повышению ее энтропии.

Первая важная аксиома молекулярной логики живого: живые

организмы создают и поддерживают присущую им упорядоченность за

счет внешней среды, степень упорядоченности которой в результате этого

уменьшается.

Внешняя среда необходима для живых организмов не только как

источник свободной энергии, но и как поставщик строительных материалов.

С точки зрения термодинамики живые организмы представляют собой

“открытые системы”, поскольку они обмениваются с внешней средой, как

энергией, так и веществом и при этом преобразуют и то, и другое.

Характерной чертой открытых систем является то, что они не находятся в

равновесии с окружающей средой. Для живых организмов характерно так

называемое стационарное состояние, которое является таким состоянием

открытой системы, при котором скорость переноса вещества и энергии из

среды в систему точно уравновешивается скоростью переноса вещества и

энергии из системы.

Вторая аксиома молекулярной логики живого включает положение о

том, что клетка - неравновесная открытая система, машина для

извлечения из внешней среды свободной энергии, в результате чего

происходит возрастание энтропии среды.

Третья важная аксиома - живая клетка является изотермической

химической машиной.

Энергию, которую клетки поглощали из среды, они получали в форме

химической энергии, которая затем преобразуется для выполнения

химической работы, совершаемой в процессе биосинтеза клеточных

компонентов, а также осмотической работы, необходимой для транспорта

веществ в клетку, и механической работы сокращения и передвижения.

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ



Биохимия. Учеб. пособие

-14-

1

.

5

.

Х

и

м

и

ч

е

с

к

и

е

р

е

а

к

ц

и

в

ж

и

в

ы

х

к

л

е

т

к

а

х

Функционирование живых систем основано на биохимических

реакциях, протекающих как в клеточных и субклеточных структурах, так и в

цитоплазме и в межклеточных жидкостях. Биохимические реакции

протекают в сравнительно узком интервале физических и химических

параметров. Кроме ограничений в температурах и давлениях это относится

также к интервалу концентраций, или активностей водородных ионов

(величины рН). Значение рН поддерживается на нужном уровне буферными

системами. Некоторые биохимические реакции протекают с оптимальной

скоростью лишь при определенном осмотическом давлении и ионной силе в

среде, где сохраняется строго постоянным соотношение определенных

ионов.

Биохимические реакции могут протекать лишь при соблюдении

определенных энергетических требований. Первичным источником энергии

на нашей планете является излучение Солнца. Часть этой энергии запасается

в форме химической энергии в химических связях различных веществ. В

настоящее время на Земле существенно преобладают аэробные условия, и

большую часть энергии живые системы получают за счет окислительно-

восстановительных процессов (и в первую очередь за счет окисления

органических соединений атмосферным кислородом). Протекающие в

организмах реакции являются либо экзергоническими (они протекают

спонтанно), либо эндергоническими (они требуют для своего осуществления

внешний источник энергии). Многие из эндергонических реакций могут

протекать лишь потому, что они сопряжены с экзергоническими реакциями.

Наиболее распространенным переносчиком энергии является молекула

аденозинтрифосфата (АТФ).

Биохимические реакции протекают со скоростями, зависящими от

концентраций реагирующих молекул и констант скоростей, характерных для

данного типа реакции. Эти скорости существенным образом могут быть

повышены в присутствии катализаторов - ферментов. Вредные воздействия

окружающей среды проявляются в первую очередь на ферментативном

уровне, ингибируя соответствующие реакции.

Итак, живая клетка – это открытая изотермическая система,

обладающая способностью к самосборке, саморегуляции и

самовоспроизведению. Эта система состоит из большого числа связанных

друг с другом реакций, ускоряемых органическими катализаторами,

которые производит сама клетка; клетка действует по принципу

максимальной экономии составных частей и процессов.

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ



Биохимия. Учеб. пособие

-15-

1

.

6

.

С

т

р

о

е

н

и

е

,

с

в

о

й

с

т

в

а

,

б

и

о

л

о

г

и

ч

е

с

к

а

я

р

о

л

ь

у

г

л

е

в

о

д

о

в

Углеводами или сахаридами называются вещества с общей формулой

(СН

2

О)

y

, где у может иметь различные значения, а также производные этих

соединений. Все углеводы являются либо альдегидными, либо кетонными

производными многоатомных спиртов. Углеводы подразделяются на 3

главных класса – моносахариды

, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды или простые сахара состоят из одной

полиоксиальдегидной или полиоксикетонной единицы. Олигосахариды

содержат от 2 до 10 моносахаридных единиц, соединенных гликозидной

связью. Молекулы полисахаридов представляют собой очень длинные цепи,

построенные из многих моносахаридных единиц, цепи которых могут быть

как линейными, так и разветвленными.

1

.

6

.

1

.

Б

и

о

л

о

г

и

ч

е

с

к

и

е

ф

у

н

к

ц

и

у

г

л

е

в

о

д

о

в

1. Энергетическая функция (главный вид клеточного топлива)

2. Структурная функция (обязательный компонент большинства

внутриклеточных структур).

3. Защитная функция (участие углеводных компонентов иммуноглобулинов

в поддержании иммунитета)

1

.

6

.

2

.

М

о

н

о

с

а

х

а

р

и

д

ы

Эмпирическая формула моносахаридов С

n

Н

2n

О

n

, где n=3 или немногим

более. В неразветвленном углеродном скелете моносахаридов все атомы

углерода, за исключением одного, связаны с гидроксильными группами, а

оставшийся атом углерода связан с карбонильным кислородом. Если

карбонильная группа находится в конце цепи, то моносахарид представляет

собой альдегид и называется альдозой, при любом другом положении этой

группы он является кетоном и называется кетозой. Простейшие

моносахариды – это 3-углеродные триозы глицеральдегид и диоксиацетон.

Сахара, имеющие 7 и более углеродных атомов, называются высшими

сахарами.

Глицеральдегид представляет собой альдотриозу, а диоксиацетон –

кетотриозу. При удлинении углеродной цепи триоз путем

последовательного добавления атомов углерода получаются соответственно

тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и октозы. Каждый из этих классов

представлен двумя группами соединений: тетрозы подразделяются на

альдотетрозы и кетотетрозы, пентозы - на альдопентозы и кетопентозы

и т.д. И в той и в другой группе моносахаридов чаще всего встречаются

гексозы. Следует отметить, что альдопентозы являются компонентами

нуклеиновых кислот, а производные триоз и гептоз играют важную роль как

промежуточные продукты углеводного обмена. Все простые сахара -

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

1.6. Строение, свойства, биологическая роль углеводов



Биохимия. Учеб. пособие

-16-

бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворяющиеся в воде, но

не растворимые в неполярных растворителях. Большинство из них имеет

сладкий вкус.

Н Н

| Альдегидная |

С = О группа Н - С - ОН

| |

Н - С - ОН Кетогруппа С = О

| |

Н - С - ОН Первичная Н - С - ОН

| спиртовая группа |

Н ( – CH

2

OH ) Н

Глицеральдегид Диоксиацетон

Важная структурная особенность моносахаридов - изомерия. Если 2

разных вещества имеют одну и ту же эмпирическую формулу, то их

называют изомерами. Различают 2 основных вида изомерии - структурную и

оптическую. Структурная изомерия обуславливается различным порядком

связей между атомами или группами атомов в молекуле. Так, все гексозы

являются по отношению друг к другу структурными изомерами. У

органических соединений оптическая изомерия связана с наличием в

молекуле атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями

(атомами или группами атомов). Такой атом углерода называется

асимметричным (хиральным) атомом.

Все моносахариды за исключением диоксиацетона содержит 1 или

большее число асимметричных атомов углерода. Простейшая альдоза -

глицеральдегид - содержит только 1 асимметричный углерод и поэтому

может существовать в виде двух различных стереоизомеров:

СНО СНО

| |

Н – С – ОН НО – С – Н

| |

СН

2

ОН СН

2

ОН

D(+) -глицеральдегид L(–) -глицеральдегид

Альдогексозы содержат 4 асимметричных атома углерода и могут

существовать в виде 2

n

= 2

4

= 16 стереоизомеров. Природные моносахариды

обладают оптической активностью – способностью вращать плоскость

поляризованного луча. Оптической активностью обладают все соединения,

способные существовать в 2 формах, представляющих по своей структуре

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

1.6. Строение, свойства, биологическая роль углеводов



Биохимия. Учеб. пособие

-17-

несовместимые зеркальные отражения друг друга. Если данное вещество

вращает плоскость поляризации вправо, то его называют правовращающим,

если влево – левовращающим. Обычная форма глюкозы, встречающаяся в

природе, является правовращающей, а обычная форма фруктозы –

левовращающей. Правовращающие соединения обозначают буквой D или

знаком (+), а левовращающие – буквой L или знаком (–). Моносахарид

обозначается как D-изомер, если в его молекуле гидроксильная группа у

асимметричного атома углерода, наиболее удаленного от альдегидной или

кетонной группы, занимает то же положение, что и в молекуле D-

глицеральдегида. Обозначения эти не зависят от того, вправо или влево

вращает плоскость поляризации света данное соединение.

Все D-альдозы имеют одну и ту же конфигурацию относительно

асимметричного атома углерода, наиболее удаленного от карбонильного

углерода, но поскольку большинство из них имеет 2 или более

асимметричных атомов углерода, существует целое семейство D-изомеров. С

биологической точки зрения наиболее важны из них – глицеральдегид,

рибоза, глюкоза, манноза и галактоза.

Многие моносахариды ведут себя в водном растворе так, как будто

число содержащихся в них асимметричных центров больше, чем это следует

из их структурных формул, соответствующих открытой цепи. D-глюкоза

существует в виде 2 изомеров: α-D-глюкозы и β-D-глюкозы. Оба соединения

имеют одинаковый элементный состав. При растворении этих изомеров в

воде оптическое вращение раствора постепенно меняется и достигает

равновесного значения – это явление называется мутаротацией

(взаимопревращение α и β изоформ) и обусловлено образованием

равновесной смеси, которая при 25

о

С состоит примерно на треть из β-D-

глюкозы и две трети из α-D-глюкозы.

СНО СНО СН

2

ОН СНО

| | | |

НСОН НОСН C = O НСОН

| | | |

НОСН НСОН HOCH НСОН

| | | |

НСОН НОСН НСOН НСОН

| | | |

НСОН НОСН НСOН СН

2

ОН

| | |

СН

2

ОН СН

2

ОН СН

2

ОН

D-глюкоза L-глюкоза D-фруктоза D-рибоза

α- и β-изомеры глюкозы не являются открытыми структурами, а

представляют собой замкнутые шестичленные кольца, образовавшиеся в

результате реакции между спиртовой гидроксильной группой при С-5 и

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

1.6. Строение, свойства, биологическая роль углеводов



Биохимия. Учеб. пособие

-18-

углеродом альдегидной группы С-1. Такие 6-членные кольца сахаров

называются пиранозами, так как они являются производными

гетероциклического производного пирана. Систематическое название для

кольцевой формы α-D-глюкозы будет D-глюкопираноза.5-членные кольца

сахаров называются фуранозами. Биологическое значение циклических

структур определяется тем, что при образовании такой структуры возникает

еще один асимметричный атом углерода при С-1.

H

|

1

C = O

|

H –

2

C – OH

|

H –

3

C – OH

|

H –

4

C – OH

|

5

CH

2

OH

D-рибоза фураноза

H

|

1

C = O

|

H –

2

C – OH

|

OH –

3

C – H

|

H –

4

C – OH

|

H –

5

C – OH

|

6

CH

2

OH

D-глюкоза пираноза

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

1.6. Строение, свойства, биологическая роль углеводов



Биохимия. Учеб. пособие

-19-

Лодка Кресло

Пиранозные кольца могут принимать формы кресла и лодки. Форма

кресла значительно более устойчива, считается, что именно она преобладает

в большей части природных сахаров.

1

.

6

.

3

.

О

л

и

г

о

с

а

х

а

р

и

д

ы

Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между

двумя моносахаридами. Связь между двумя моносахаридами называется

гликозидной связью. Обычно она образуется между 1-ым и 4-ым атомами

соседних моносахаридных единиц (1,4-гликозидная связь). Этот процесс

может повторяться бесчисленное количество раз, в результате чего

образуются гигантские молекулы полисахаридов. После того, как

моносахаридные единицы соединяются друг с другом, их называют

остатками. Таким образом, мальтоза состоит из 2 остатков глюкозы. Среди

дисахаридов особенно широко известны мальтоза, лактоза и сахароза.

Глюкоза + Глюкоза = Мальтоза

Глюкоза + Галактоза = Лактоза

Глюкоза + Фруктоза = Сахароза

ТЕМА 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

1.6. Строение, свойства, биологическая роль углеводов



Биохимия. Учеб. пособие

-20-

1

.

6

.

4

.

П

о

л

и

с

а

х

а

р

и

д

ы

(

г

л

и

к

а

н

ы

)

Большинство углеводов, встречающихся в природе, существует в

форме высокомолекулярных полисахаридов. Их полный гидролиз в

присутствии кислот или специфических ферментов дает моносахариды и их

простые производные. Преобладающей моносахаридной единицей является

глюкоза, встречаются полисахариды маннозы, фруктозы, галактозы, ксилозы

и арабинозы. Среди производных моносахаридов присутствуют глюкозамин,

галактозамин, глюкуроновая кислота, мурамовая и нейраминовая кислоты.

Полисахариды (гликаны) отличаются друг от друга природой

повторяющихся моносахаридных единиц, длиной цепи и степенью их

ветвления. Различают гомополисахариды (гомогликаны), состоящие из

моносахаридных единиц только одного вида, и гетерополисахариды

(гетерогликаны), имеющие единицы 2 или более видов. Крахмал состоит

только из глюкозных единиц и представляет собой гомополисахарид.

Гиалуроновая кислота состоит из чередующихся остатков глюкуроновой

кислоты и N-ацетил-глюкозамина, является гетерополисахаридом. По

систематической номенклатуре названия составляются из названия

моносахаридов с заменой суффикса –оза на –ан (глюкан).

Резервные полисахариды Главными резервными полисахаридами

растений и животных является крахмал и гликоген, которые откладываются в

цитоплазме клеток в виде крупных гранул. Эти гранулы состоят из большого

числа полисахаридных молекул. Кроме того, в них содержатся белки и в их

числе ферменты, принимающие участие в синтезе и распаде полисахаридов.

Если в клетке имеется излишек глюкозы, то ее молекулы присоединяются к

концам цепей крахмала или гликогена, если же возникает метаболическая

потребность в глюкозе, то происходит ее ферментативное отщепление от

резервных полисахаридов.

Крахмал существует в двух формах – в виде α-амилозы и

амилопектина. α-амилоза состоит из длинных неразветвленных цепей, в

которых все глюкозные единицы соединены α-связями (1,4 ), молекулярный

вес варьирует от нескольких тысяч до 500000. В воде амилоза не дает

истинного раствора, но образует гидратированные мицеллы, которые при

добавлении иода окрашиваются в синий цвет. В таких мицеллах

полисахаридные цепи скручиваются в спираль. Цепи амилопектина сильно

разветвлены. Ветви содержат в среднем по 12 остатков глюкозы.

Амилопектин также образует коллоидные или мицеллярные растворы,

однако при добавлении иода эти растворы окрашиваются в красно-

фиолетовый цвет. М.в. может достигать 1 млн. Основные компоненты

крахмала гидролизуются ферментативно амилазой, который присутствует в

соке поджелудочной железы и в слюне. При кислотном гидролизе крахмала

получают декстрины.

Замай Т.Н. и др. Биохимия

Подождите немного. Документ загружается.