ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»Бийский технологический институт (филиал)Н.И. Мезенцева, Е.В. Аверьянова, С.В. ЛаптевБИОХИМИЯМетодические рекомендации к изучению дисциплины и выполнению контрольных работ для студентов всех форм обучения по специальностям 260204 «Технология бродильных производств и виноделие» и 240900 «Биотехнология» на основе программы курса «Биохимия»Бийск 2006 УДК 577.1 М-44Мезенцева, Н.И. Биохимия: методические рекомендации к изучению дисциплины и выполнению контрольных работ для студентов всех форм обучения по специальностям 260204 «Технология бродильных производств и виноделие» и 240900 «Биотехнология» на основе программы курса «Биохимия» / Н.И. Мезенцева, Е.В. Аверьянова, С.В. Лаптев.Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. Бийск. Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 2006. 96 с.В методических рекомендациях изложены избранные лекции и письменные консультации по изучаемым темам курса «Биохимия». Приведён перечень тем лекционных и лабораторных занятий, а также контрольных вопросов, на которые студент должен ответить самостоятельно. Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Биотехнология».Протокол № 75 от 16.05.06. Рецензент: д.б.н., профессор Гайнанова Н.К. (БПГУ им. В.М. Шукшина, г. Бийск) Мезенцева Н.И., Аверьянова Е.В., Лаптев С.В., 2006 БТИ АлтГТУ, 2006 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ____________________________________________ 5 1 ПРОГРАММА КУРСА «БИОХИМИЯ»___________________ 6 1.1 Содержание дисциплины____________________________ 7 1.2 Лабораторные работы_______________________________ 13 1.3 Основная и дополнительная литература________________ 14 ^ 2 ПИСЬМЕННЫЕ КОНСУЛЬТАЦИИ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ__________________________________ 17 2.1 Предмет и задачи биохимии__________________________ 17 2.2 Принципы биохимии________________________________ 18 2.3 Белковые вещества__________________________________ 27 2.4 Нуклеиновые кислоты_______________________________ 33 2.5 Ферменты_________________________________________ 37 2.6 Витамины_________________________________________ 51 2.7 Взаимосвязь процессов обмена веществ в организме_____ 52 2.8 Брожение и дыхание. Биологическое окисление_________ 54 2.9 Углеводы и их ферментативные превращения___________ 57 2.10 Образование органического вещества растительными организмами. Фотосинтез_______________________________ 59 2.11 Липиды. Обмен липидов в организме_________________ 61 2.12 Обмен азота в растительных организмах______________ 63 2.13 Биосинтез белков__________________________________ 64 ^ 3 ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ДЛЯ КОЛЛОКВИУМОВ_______________ 66 3.1 Коллоквиум 1. Биомолекулы_________________________ 66 3.2 Коллоквиум 2. Биологически активные вещества________ 67 3.3 Коллоквиум 3. Обмен веществ и энергии_______________ 68 4 КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ (РАБОТЫ)__________________ 71 4.1 Варианты контрольных заданий_______________________ 72 ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схема гликолиза_______________________ 87 ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Б.1 Схема аэробного дыхания_____________ Б.2 Схема дыхательной цепи (фп – флавопротеиды)___________________ 8889 ПРИЛОЖЕНИЕ В. Схема цикла трикарбоновых кислот (кребса)_______________________________ 90 ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Глиоксилатный цикл____________________ 91 ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Пентозофосфатный цикл_________________ 92 ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Е.1 Схема световой стадии фотосинтеза (z-схема)______________________________ Е.2 Схема цила кальвина (темновая стадия фотосинтеза)___________________________ 9394 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Схема трех стадий синтеза белков (трасляция)____________________________ 95 ВВЕДЕНИЕ Данные методические рекомендации предназначены для студентов всех форм обучения по специальностям «Технология бродильных производств и виноделие» и «Биотехнология» для самостоятельного освоения дисциплины «Биохимия». Изучение данного курса включает избранные лекции, лабораторные работы и контрольную работу. Основная часть времени для изучения биохимии студентами-заочниками приходится на самостоятельную работу с рекомендуемой литературой. В методических рекомендациях приведен перечень тем, необходимых для теоретического изучения студентами-заочниками, и отмечены темы, вынесенные для обсуждения на лекции, а также представлен примерный план лабораторных работ и приведен список основной и дополнительной литературы, имеющейся в библиотеке Бийского технологического института. В методических рекомендациях представлены письменные консультации по каждой изучаемой теме, перечислены все разделы и вопросы, которые студент должен изучить самостоятельно, а после освоения данной темы ответить на контрольные вопросы, приведенные в методических рекомендациях после каждой темы. Изучение материалов дисциплины осуществляется в системе очного, вечернего и заочного образования посредством посещения занятий, самостоятельной работы с литературой, а результативность этого оценивается преподавателем по выполняемым контрольным работам. Поэтому перед выполнением контрольного задания необходимо еще раз прочитать материал учебника, хорошо его продумать и изложить ответы своими словами. Переписывание разделов учебника дает основание предполагать, что материал для составления ответов на вопросы контрольной работы изучен студентом недостаточно глубоко. Для выполнения контрольной работы в методических рекомендациях представлен перечень заданий, каждое из которых содержит три вопроса. В процессе изучения теоретического материала студент выполняет контрольную работу и высылает ее в адрес института. После выполнения контрольной работы студент допускается к лабораторным работам и после их выполнения к зачету или экзамену с предоставлением лабораторного журнала с записями, расчетами и выводами. Данные методические рекомендации предназначены для самостоятельного изучения курса «Биохимия» студентами и при соблюдении всех наших рекомендаций гарантируют успешную сдачу зачета и экзамена по данному курсу.^ 1 ПРОГРАММА КУРСА «БИОХИМИЯ» Цели обучения биохимии – обеспечить у студентов формирование знаний для глубокого понимания процессов, происходящих как в клетках живых организмов, так и в пищевом сырье при его хранении и переработке. Без этих знаний невозможно изучение на современном уровне микробиологии, технической биохимии, технологии и других дисциплин, необходимых в системе подготовки специалистов для пищевой промышленности. Задачи биохимического образования – усвоение студентами материала по значению в организме, строению и обмену белков, нуклеиновых кислот, ферментов, витаминов, липидов, углеводов, других соединений, входящих в состав животных и растительных организмов и приобретение умений по методам биохимических исследований. Знание особенностей химического состава организма и его отдельных частей, биохимических процессов, протекающих как в целом организме, так и в отдельных органах, тканях и сырье для пищевой промышленности, позволит будущему инженеру-технологу рационально использовать пищевое сырье, понять необходимость ведения технологического процесса так, чтобы обеспечить высокую пищевую и биологическую ценность получаемых продуктов питания. Биохимия базируется на знаниях биологии, физики, неорганической, аналитической, органической, физической и коллоидной химии. Она завершает цикл химических дисциплин и служит основой для изучения специальных курсов по пищевой технологии. По окончании курса студент должен знать: – биологическую роль, пищевое значение, строение и свойства химических соединений, входящих в состав живых организмов, и основные процессы обмена, лежащие в основе жизнедеятельности; – овладеть основными методами химического анализа биологического материала (качественное обнаружение и количественное определение белков, аминокислот, витаминов и других соединений); – иметь навыки: обнаружения в биологических объектах белков, углеводов, липидов и витаминов; исследования свойств и определения активности ферментов.^ 1.1 Содержание дисциплиныТаблица 1 – Содержание дисциплины Номер темы Наименование раздела (или темы). Краткое содержание Ауд.часы СРС 1 2 3 4 1 Введение. Определение и становление биохимии как науки. Историческая справка. Цели и задачи. Клетка – структурная единица организации жизни. От прокариот к эукариотам. Главные химические компоненты клетки: белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды, низкомолекулярные органические соединения, элементарный состав живой материи. Значение биохимии в подготовке специалистов для пищевой промышленности. Принципы биохимии 4 2 2 Химия белков. Определение, содержание в биологических объектах, элементный состав и функции белков. Аминокислоты структурные компоненты белков. Принцип изучения аминокислотного состава белков. Строение, стереохимия, физико-хи-мические свойства и классификация протеиногенных (белковых) аминокислот. Полноценные и неполноценные белки, биологическая ценность белков. Строение и пространственная структура белковых молекул. Химические связи в молекуле белка. Пептиды. Полипептидная теория строения белков. Пространственная структура белковой молекулы. Понятие о первичной, вторичной, третичной структурах белка. Олигомерные белки. Физико-химичес-кие свойства белков. Молекулярная масса и размер молекул белков. Амфотерные свойства, изоэлектрическая точка белков. Коллоидные свойства раствора белка. Денатурация белков, ее роль в пищевой технологии.Номенклатура и принципы классификации белков, глобулярные и фибриллярные белки. Простые и сложные белки, их группы и отдельные представители в живых организмах 1 3 Продолжение таблицы 1 1 2 3 4 3 Состав и физиологическая роль клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Модели строения мембран. Липидный бислой. Мембранные белки. Мембранные углеводы. Перенос малых молекул через мембраны. Экзоцитоз и эндоцитоз. Специализированные структуры плазматической мембраны. Стенки растительных клеток и их образование. Органеллы клетки. Эндоплазматическая сеть. Аппарат Гольджи. Лизосомы. Пероксисомы. Сферосомы. Вакуоли растительных клеток. Митохондрии. Пластиды. Химия клеточного ядра. Структура хромосом. Ядрышко. Ядерная оболочка. Гиалоплазма – 2 4 Нуклеиновые кислоты. Химический состав нуклеиновых кислот. Структурные компоненты нуклеиновых кислот. Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов. Фосфодиэфирная связь. Строение и биологическая роль ДНК. Правило Чаргаффа. Принцип комплементарности. Антипараллельность цепей ДНК. Репликация. Строение и биологическая роль РНК. Типы РНК. Свободные нуклеотиды и их производные. АТФ, ее строение и роль. Динуклеотиды 1 2 5 Ферменты. Общее понятие о ферментах и отличие их от катализаторов небиологической природы. Иммобилизованные ферменты. Химическая природа и строение фермента. Кофакторы, коферменты, простетическая группа. Активный, субстрат-ный и аллостерические центры ферментов. Обратимость действия ферментов. Специфичность ферментов и ее виды. Обнаружение ферментов в биологических объектах. Кинетика ферментативных реакций. Скорость ферментативной реакции и ее измерение. Единицы активности ферментов. Koн-стантa Михаэлиса. Влияние температуры, рН, активаторов и ингибиторов на скорость ферментативной реакции. Шифр ферментов. Классы ферментов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы); типы катализируемых реакций 2 4 Продолжение таблицы 1 1 2 3 4 6 Витамины. Общая характеристика, классификация и номенклатура витаминов. Жирорастворимые витамины А, Д, Е, К: химическая природа, биологическая роль, пищевые источники. Провитамины. Водорастворимые витамины В1, В2, B6, В12, С, Н (биотин): химическая природа, роль в обмене, витамины – коферметы. Витаминоподобные вещества. Антивитамины 1 2 7 Введение в обмен веществ и энергии в организме. Принципы биоэнергетики. Метаболические пути и обмен энергии в живых системах. Энергетический цикл в клетке. Локализация и свойства АТФ и АДФ. Законы химической термодинамики. Стандартная свободная энергия гидролиза АФТ. Пути ферментативного переноса фосфатных групп. Другие нуклеозид-5-трифосфаты. АМФ и пирофосфаты. Энергетика открытых систем. Анаболизм. Катаболизм. Метаболизм. Питание. Брожение. Дыхание. Биологическое окисление. Анаэробы и аэробы 2 1 8 Химия и обмен углеводов. Общая характеристика и классификация углеводов. Моносахариды: химические свойства и отдельные представители. Сахарокислоты, сахароспирты, аминосахара, ацетилпроизводные гексоз. Олигосахариды: сахароза, мальтоза, лактоза, целлобиоза. Восстанавливающие дисахариды. Инвертный сахар. Полисахариды: крахмал, клетчатка, пектиновые вещества, гликозаминогликаны 1 2 9 Анаэробные окислительно-восстановительные процессы. Гликолиз. Ферментативные реакции первой стадии гликолиза. Вторая стадия гликолиза. Полный энергетический баланс гликолиза. Включение других углеводов в процесс гликолиза. Спиртовое и другие типы брожения. Эффект Пастера. Роль брожения в пищевых технологиях 2 1 Продолжение таблицы 1 1 2 3 4 10 Аэробные окислительно-восстановительные процессы. Общая схема процесса дыхания. Энергетика брожения и дыхания. Локализация ферментов цикла трикарбоновых кислот. Окисление пирувата до ацетил-КоА. Реакции цикла Кребса. Амфиболическая природа цикла Кребса. Глиоксилатный цикл. Фосфоглюконатный путь окисления глюкозы 2 2 11 Перенос электронов и окислительное фосфорилирование. Окислительно-восстановительные реакции. Ферменты, коферменты, гемпротеиды, белки с негеминовым железом дыхательной цепи. Путь переноса электронов в дыхательной цепи. Энергетика переноса электронов. Окислительное фосфорилирование. Сопряжение. Отдельные стадии окислительного фосфорилирования. Факторы сопряжения в митохондриальной мембране. Теория П. Митчелла. Выход энергии при окислении глюкозы до диоксида углерода и воды 2 2 12 Роль углеводов в организме и питании. Пищевые и структурные углеводы. Источники углеводов на земле. Фотосинтез. Световые и темновые фазы фотосинтеза. Перенос электронов и фосфорилирование при фотосинтезе. Открытие фотосинтеза. Две фотосистемы. Фотофосфорилирование. Пигменты пластид. Строение хлоропластов. Реакционные центры и первая стадия фотохимического процесса. Цепи переноса электронов в хлоропластах. Энергетика фотосинтеза. Взаимосвязь фотосистемы 1 с фотоситемой 2. Конформационные изменения в мембранах хлоропластов 2 2 13 Биосинтез и утилизация энергии фосфатной связи. Образование пирувата из фосфоенолпирувата. Превращение фосфоенол-пирувата в глюкозу. Глюконеогенез из промежуточных продуктов цикла Кребса, из ацетил-КоА, из аминокислот 2 2 Продолжение таблицы 1 1 2 3 4 Фотосинтетическое образование гексоз при восстановлении двуокиси углерода (цикл Кальвина). Синтез крахмала и гликогена. Структурные полисахариды клеточной стенки.Хемосинтез. Использование энергии неорганических реакций. Окисление водорода, аммония, серы, нитратов, сульфатов и других соединений бактериями 14 Химия и обмен липидов. Триацилглицеролы (жиры), их строение и свойства. Воски, фосфолипиды, гликолипиды, стероиды – строение, свойства и роль в пищевой промышленности 1 2 15 Роль липидов в организме и питании. Незаменимые жирные кислоты. Переваривание триацилглицеролов и фосфолипидов. Мицеллы. Внутриклеточный липолиз: гидролиз жира в клетке, окисление глицерина и жирных кислот. Ацетил КоА – конечный продукт β-окисления жирных кислот. Цикл окисления жирных кислот, активация жирных кислот. Первая стадия дегидрирования, гидратация. Вторая стадия дегидрирования жирных кислот. Энергетический баланс окисления 1 2 16 Биосинтез насыщенных жирных кислот. Синтез пальмитиновой кислоты, образование малонил-КоА, ацилпереносящий белок, трансацилазы. Стадии синтеза жирных кислот. Биосинтез триацилглицеринов, фосфоглицеридов. Интеграция липидного и углеводного обмена 1 2 17 Обмен белков. Роль белков в обмене и питании. Азотистый баланс. Норма белка в питании. Физиологический минимум. Окислительное расщепление аминокислот и белков. Протеолиз. Общая схема окисления аминокислот. Трансаминирование. Окислительное дезаминирование. Пути, приводящие к ацетил-КоА, янтарной, фумаровой и другим кислотам. Цикл мочевины. Синтез аминокислот в тканях. Синтез белков. Транскрипция. Рибосомы. Взаимосвязь между обменом белков, углеводов и липидов 2 1 Продолжение таблицы 1 1 2 3 4 18 Первичный синтез аминокислот. Азотфиксация. Азотфиксирующие организмы. Фиксация азота и другие превращения неорганических соединений азота, восстановление элементарного азота, нитрогеназа.Биосинтез мононуклеотидов. Биосинтез пуриновых, пиримидиновых нуклеотидов, дезоксирибонуклеотидов 2 1 19 Молекулярные механизмы передачи генетической информации. Роль и функции ДНК, РНК. Процессы репликации и транскрипции у эукариот и прокариот.Рибосомы и синтез белка (трансляция). Генетический код. Регуляция синтеза белка. Концепция лактозного оперона Жакоба – Моно 2 2 20 Регуляция обмена веществ на различных уровнях организма. Регулирование метаболизма на клеточном и субклеточном уровнях путем регуляции синтеза и каталитической активности ферментов. Регуляция метаболизма путем регуляции скорости поступления метаболитов в клетку и роль биологических мембран 1 2 21 Транспорт субстратов и продуктов. Основные механизмы, организация и регуляция транспортных процессов. Энергетика активного переноса против градиента концентрации. Активный опосредованный перенос. Системы пассивного переноса. Системы активного переноса. АТФ-азная система, транспортирующая ионы Н+, К+ и Na+ 1 2 22 Вторичные метаболиты. Роль и биогенез алкалоидов в растениях. Гликозиды. Фенольные соединения с одним ароматическим кольцом, с двумя и полимерные фенольные соединения. Токсины 1 2 ^ 1.2 Лабораторные работы Лаборатория биохимииПри выполнении общей лаборатории студент приобретает основные экспериментальные навыки: качественного и количественного определения продуктов биосинтеза живой клетки, активности ферментов, получения ферментных препаратов, фракционирования клеточного содержимого.При выполнении лабораторных работ студент осваивает основные методы по определению общего количества сахаров, белков, липидов, витаминов, определения активности ферментов, биохимические методы исследования растений, микроорганизмов, дрожжей.Таблица 2 – Перечень лабораторных работ Номер работ Наименование темы Кол-вочасов Номер лекции 1 2 3 4 1 ^ ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ПРАВИЛА РАБОТЫ В БИОХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Правила безопасности в химической лаборатории, организация лаборатории, правила пользования электрооборудованием 4 – 2 АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ, БЕЛКИ И ИХ ОБМЕН. Физико-химические свойств белков (высаливание, осаждение сернокислым аммонием, хлористым натрием, сернокислым магнием, органическими кислотами, спиртом, ацетоном). Количественное определение белка в растворе методом Матиопуло, формольным титрованием, методом Лоури. Количественное определение смеси аминокислот в растворе по Сьеренсену 4 2 3 ФЕРМЕНТЫ. Изучение действия ферментов. Свойства ферментов. Определение активнос-ти ферментов (каталазы, пероксидазы, ами-лазы) в солоде ржи, проса, ячменя, овса, пше-ницы, в молоке, в дрожжевой воде. Влияние рН и температуры на активность ферментов 4 5 4 УГЛЕВОДЫ И ИХ ОБМЕН. Структура, свойства и функции углеводов в организме. Количественное определение углеводов в растворах (методом Бертрана, методом Хангендорна-Иенсена и др.) 4 8 Продолжение таблицы 2 1 2 3 4 5 ЛИПИДЫ И ИХ ОБМЕН. Омыление жира и образование свободных жирных кислот. Определение числа омыления жира (касторового, подсолнечного, сливочного масел). Определение кислотного числа жира. Определение эфирного, йодного, перекисного чисел жира 4 14 6 НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И НУКЛЕОПРОТЕИДЫ. Выделение нуклеопротеидов. Обнаружение углеводов, пуриновых оснований, фосфорной кислоты, белков в составе нуклеопротеидов 4 4 7 ВИТАМИНЫ. Качественные реакции на витамины А, Е, К, D. Реакция с диазореактивом на тиамин (В1), реакция восстановления рибофлавина (В2), реакция на пиридоксин (В6), определение фолиевой кислоты в дрожжевом экстракте. Количественное определение витамина С в морсах и соках 4 6 ^ 1.3 Основная и дополнительная литература Основная 1. Кнорре, Д.Г. Биологическая химия / Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина. – М.: Высшая школа, 1998. – 479 с. (12 экз); 2000. – 479 с. (12 экз.); 2001. – 479 с. (16 экз.). 2. Элиот, В. Биохимия и молекулярная биология / В. Эллиот, Д. Элиот. – М.: Изд. РАМ, 2000. – 372 с. (4 экз.). 3. Кольман, Я. Наглядная биохимия / Я. Кольман, К.-Г. Рём. – М.: Мир, 2000. – 570 с. (2 экз.). 4. Мецлер, Д. Биохимия / Д. Мецлер. – М.: Мир, 1980. – Т. 1-3. 5. Биохимия / под ред. В.Г. Щербакова. – СПб.: ГИОРД, 2003. – 400 с. (2 экз.).Дополнительная8. Березов, Т.Т. Биологическая химия / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. – М.: Медицина, 1990. – 543 с. 9. Василенко, Ю.К. Биологическая химия / Ю.К. Василенко. – М.: Высшая школа, 1978. – 381 с. 10. Зенгбуш, П. Молекулярная биология клетки / П. Зенгбуш. – М.: Мир, 1982. – Т. 1. – 359 с. 11. Доусон, Р. Справочник биохимика / Р. Доусон, Д. Эллиот, У. Эллиот, К. Джонс. – М.: Мир, 1991. – 544 с. 12. Ленинджер, А. Биохимия / А. Ленинджер. – М.: Мир, 1976. – 962 с. 13. Ленинджер, А. Основы биохимии / А. Ленинджер. – М.: Мир, 1986. – Т. 1, 2. 14. Мари, Б. Биохимия человека / Б. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, Р. Родуэл. – М.: Мир, 1993. – Т. 1-2. – 415 с. 15. Молекулярная биология клетки / под ред. Б. Альбертс. – М.: Мир, 1994. – Т. 1-3. 16. Пирузян, Э.С. Основы генетической инженерии растений / Э.С. Пирузян. – М.: Наука, 1988. – 301 с. 17. Ручай, Н.С. Биохимия и микробиология / Н.С. Ручай, С.В. Конев. – М.: Экология, 1992. – 237 с. 18. Сельскохозяйственная биотехнология / под ред. В.С. Шевелухи. – М.: Высшая школа, 1998. – 415 с. 19. Биохимия растений: учебник для студентов биол. факультетов университетов / под ред. В.Л. Кретовича. – М.: Высшая школа, 1980. – 445 с. 20. Биохимия растений: учебное пособие / под ред. Л.А. Красильниковой. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. – 224 с.Используемая в учебном процессе21. Аверьянова, Е.В. Крахмал: методические указания по курсу «Методы переработки лекарственного растительного сырья» / Е.В. Аверьянова, В.П. Севодин. – Бийск: Изд-во БТИ АлтГТУ, 1999. – 33 с. (50 экз.). 22. Викторов, Д.П. Малый практикум по физиологии растений / Д.П. Викторов. – М.: «Высшая школа», 1983. – 120 с. 23. Гильманов, А.П. Методы очистки и изучения ферментов растений / А.П. Гильманов, О.В. Фурсов, А.П. Францев. – Алма-Ата: Наука, 1981. – 84 с. 24. Кошелев, Ю.А. Витамины: методические указания к лабораторному практикуму по курсам «Биохимия» и «Пищевая химия» / Ю.А. Кошелев, М.Э. Ламберова. – Бийск: Изд-во БТИ АлтГТУ, 2005. – 56 с. (50 экз). 25. Кучеренко, Н.Е. Биохимия: практикум / Н.Е. Кучеренко. – Киев: Выша школа, 1988. – 127 с. 26. Мезенцева, Н.И. Определение активности оксидоредуктаз растений, экстрагируемых различными буферами / Н.И. Мезенцева. – И.Л. КазГос ИНТИ ВК ЦНТИ. – 1995. – №2. – 4 с. (10 экз.). 27. Мезенцева, Н.И. Применение электрофореза белков / Н.И. Мезенцева, С.В. Лаптев, И.В. Рогова. – И.Л. КазГос ИНТИ ВК ЦНТИ. – 2000. – №1. – 4 с. (12 экз.). 28. Пустовалова, Л.М. Практикум по биохимии / Л.М. Пустовалова. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1999. – 544 с. (12 экз.). 29. Рухлядева, А.П. Методы определения активности гидролитических ферментов / А.П. Рухлядева, Г.В. Полыгалина. – М: Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 287 с. 30. Савронь, Е.С. Практикум по биохимии животных / Е.С. Савронь, В.И. Воронянский. – М.: Высшая школа, 1967. – 239 с. 31. Северин, С.Е. Практикум по биохимии / С.Е. Северин, Г.А. Соловьев. – М: Издательство МГУ, 1989. – 509 с. 32. Практикум по физиологии растений / под ред. Н.Н. Третьякова. – М: Агропромиздат, 1990. – 271 с. 33. Практикум по общей биохимии / под ред. Ю.Б. Филиппович. – М: Издательство МГУ, 1982. – 78 с.^ 2 ПИСЬМЕННЫЕ КОНСУЛЬТАЦИИ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 2.1 Предмет и задачи биохимии Биологическая химия (биохимия) – наука о химическом составе живых организмов и превращениях веществ и энергии, происходящих при их жизнедеятельности. Знания химического состава живых организмов, прижизненных превращений веществ в них помогут будущему инженеру-технологу пищевой промышленности правильно понять химические и биохимические процессы, происходящие при хранении, транспортировке и переработке пищевого сырья растительного и животного происхождения, и направить эти процессы в нужную сторону с целью придания готовому продукту хорошего внешнего вида, вкуса, аромата, высокой пищевой и биологической ценности. В этом разделе необходимо ознакомиться с предметом и задачами биохимии, историей ее развития как науки, изучить группы элементов и соединений, входящих в состав организмов, уяснить их роль в питании человека и животных, связи организма с внешней средой. Биохимия оформилась как самостоятельная наука во второй половине XIX века на основе органической химии, физиологии и микробиологии. В своем развитии она опирается на практический опыт и потребности медицины, сельского хозяйства, ряда отраслей промышленности. Современная биохимия достигла крупных успехов как в области биологии, так и в области отдельных инженерных наук. Примером приложения успехов биохимии, микробиологии и инженерных наук являются витаминная промышленность, промышленность микробиологического синтеза пищевых и кормовых продуктов, другие производства новой отрасли народного хозяйства – биотехнологии.2.1.1 Вопросы для самоподготовки1. Что изучает биохимия? Какое она имеет значение для отраслей пищевой промышленности и биотехнологии? 2. Какова роль отечественных ученых (А.П. Баха, А.Я. Данилевского, В.И. Палладина, М.С. Цвета, К.А. Тимирязева, А.Н. Белозерского и др.) в развитии биохимии? 3. Перечислите макро-, микро-, ультраэлементы, входящие в состав организмов. Назовите границы между этими группами элементов.4. Как осуществляется молекулярная организация живого организма? 5. Назовите основные соединения, входящие в состав клеток растительных и животных организмов и пищевого сырья. 6. Каким образом осуществляется связь организма с внешней средой?^ 2.2 Принципы биохимии При всем многообразии биосферы биологические основы жизни удивительно единообразны как по наборам типов биомолекул и их внутренней организации, так и по магистральным путям химических превращений. Корни такого единообразия (но не полной идентичности) кроются в единстве происхождения, законах наследственности и эволюционном процессе на основе естественного отбора. Живая материя подчиняется всем физическим и химическим законам, включая законы термодинамики, сохранения массы и энергии. Однако законы физики и химии, физико-химические подходы позволяют только понять устройство и работу существующей ныне живой материи, но не дают ответа на вопросы о движущих силах биологической эволюции и причинах возникновения тех или иных форм, микроструктур, биомолекул, функций. Организмы принадлежат к открытым системам, обменивающимся с окружающей средой веществом, энергией и информацией, находящимся вдалеке от термодинамического равновесия, характеризующимся максимумом энтропии. Обменные процессы со средой организованы таким образом, что формируется особый вид неравномерного, но устойчивого состояния, при котором постоянство внутренних параметров поддерживается динамическим путем за счет уравновешивания скоростей поступления в клетку (организм) и выхода из нее в среду веществ и энергии. Благодаря такому стационарному состоянию и тесно связанному с ним гомеостазу, биохимические реакции осуществляются в достаточно узком интервале физических и химических параметров. Приуроченность биологической жизни (метаболизма) к узкому зазору физико-химических уровней дает неоспоримый выигрыш за счет стандартизации условий для оптимальной производительности молекулярных машин, узнавания молекулами друг друга, направленности и точности действия регуляторных сигналов.2.2.1 Принцип богатого энергией внешнего электронаВ клетке запасается, используется и превращается энергия электронов, причем, как правило, внешних валентных электронов: внутренние электронные оболочки атома энергетически инертны для метаболизма. У гетеротрофов это переход валентных электронов, осуществляющих ковалентную связь между атомами С и Н, С и С на более прочные связи Н-О-Н (вода) и О-С-О (углекислый газ). Для биологических нужд используется энергия, выделяемая при соединении атомов водорода субстратов (углеводов, жиров и др.) с кислородом. У фотоавтотрофов (источник энергии – кванты света) в первичном событии – улавливании и кратковременном (10-9 с) запасании энергии – участвуют валентные электроны хлорофилла. Затем временными аккумуляторами запасенной энергии последовательно становятся специализированные молекулы – переносчики электрона (от 10-3 до 10-5 с), АТФ и НAДФ (от 10-1 до 10 с) и, наконец, сахара (от 102 до 104 с). Если валентные электроны в продуктах реакции более прочно связываются с ядерным остовом, чем в исходных молекулах, то энергия выделяется, и, наоборот, ослабление интегральной электронно-ядерной связи приводит к поглощению энергии.^ Когда электроны более тесно связываются с ядерным остовом, энергия выделяется, при обратном процессе – отдалении электронов от ядер – энергия потребляется.Принцип энергетического сопряженияНаправление химического превращения, в принципе всегда обратимого, определяется направлением изменения свободной энергии F=HTS, где H – энтальпия (теплосодержание); S – энтропия; T – абсолютная температура. Самопроизвольно процессы идут только в направлении снижения свободной энергии (). Поскольку величина определяется как энтальпийным, так и энтропийным членом, возможно протекание не только экзотермических, но и эндотермических реакций. В последнем случае свободная энергия уменьшается за счет энтропийного члена () – это эндотермические (), но экзергонические () реакции. Свободная энергия сложной многокомпонентной смеси определяется как справочными значениями F для всех компонентов, так и их концентрациями: , где ^ R=8,31 Дж/(моль·град) – универсальная газовая постоянная. Динамическое равновесие в реакции А↔В, когда концентрации веществ А и В остаются постоянными во времени, наступает при выравнивании запасов свободной энергии в исходных (А) и конечных (В) продуктах (). При этом соотношение равновесных концентраций В и А () тем больше, чем меньше запас свободной энергии в молекулах В по сравнению с А. Чем объяснить множество эндергонических реакций, происходящих в клетке (биосинтез белков из аминокислот и полисахаридов из моносахаридов)? Поскольку даже простейшая реакция синтеза дисахарида сахарозы из моносахаридов глюкозы и фруктозы в сахарной свекле термодинамически запрещена, так как в этой реакции (глюкоза + фруктоза ↔ сахароза) значение F возрастает, и положение равновесия должно быть резко сдвинуто влево, тем не менее вопреки термодинамике сахароза в этих растениях накапливается. Протекание эндергонических реакций становится возможным благодаря энергетическому сопряжению их с экзергоническими реакциями. При этом организуется пространственное и временное единство между реакцией эндергонической, потребляющей энергию (), и реакцией экзэргонической, поставляющей свободную энергию (), с таким расчетом, чтобы суммарный энергетический баланс двух реакций был отрицательным (). Как правило, в качестве экзергонического компонента при сопряжении выступает реакция гидролиза молекулы АТФ. При этом энергия передается как бы «из рук в руки»: один из партнеров «заряжается» энергией благодаря присоединению какой-либо части молекулы АТФ (реакции фосфорилирования, пирофосфорилирования, аденилирования), а затем осуществляется экзергоническое отщепление этой части с замыканием нужной ковалентной связи при синтезе дисахарида. Нередко сопряжение реализуется более сложно при сохранении общего принципа – суммарной экзергоничности двух (или более) реакций.Принцип энергетического барьера и снижение его при «мягком» ферментативном катализеДля каждой конкретной реакции перепад в свободной энергии определяет лишь направление превращения веществ и его стационарный (равновесный) уровень, но не скорость протекания процесса. Скорость явно экзергонического процесса может быть практически нулевой.Для химических превращений, свойственных биосфере, величина барьеров (в отсутствие катализаторов) столь высока, что обмен веществ должен бы практически прекратиться, а сама жизнь – исчезнуть. Этого не происходит благодаря созданию в ходе эволюции высокоэффективных барьеропонижающих макромолекулярных катализаторов – ферментов. В неживой природе протекание химической реакции происходит, как правило, в жестких условиях и осуществляется как бы взрывообразно, неупорядоченно. В противоположность этому метаболизм происходит в мягких условиях, без использования сильных воздействий. При этом молекулярный механизм ферментативной реакции строго детерминирован и неукоснительно выдерживается. Значение ферментов в метаболизме огромно: за любым из химических превращений, присущих нормальному метаболизму биосферы, стоит свой конкретный фермент, так как в нормальном метаболизме практически нет неферментативных реакций.Принцип поэтапности химических превращений в метаболических циклахМетаболические превращения осуществляются через значительное количество промежуточных состояний. Это особенно характерно для биосинтетической ветви метаболизма, которая подобна работе в совершенстве отлаженного конвейера, когда конечный продукт создается серией строго последовательных операций. Биосинтез макромолекул из более простых происходит посредством множества последовательных модификаций исходного субстрата с передачей «обрабатываемой молекулы» от одного фермента к другому вдоль метаболической цепочки. Процесс протекает вплоть до заключительного фермента, выполняющего последнюю, завершающую операцию и выпускающего готовый продукт. При этом ферменты какого-либо одного конвейера часто организуются пространственно, формируя полиферментные комплексы. Наряду с линейными конвейерами в живой природе широко представлены и замкн