Биологические структуры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский

государственный университет сервиса и экономики»

Кафедра «Товароведение и экспертиза потребительских товаров»

А.М. МИРЗОЕВ, А.К. АЛИЕВА

БИОХИМИЯ

Учебное пособие

Для студентов направления 100800.62 «Товароведение»

Санкт-Петербург

Одобрено на заседании кафедры «Товароведение и экспертиза потребтельских товаров», протокол № от 2013г.

Одобрено и рекомендовано к изданию Учебно-методическим Советом СПбГУСЭ, протокол № от 2013г.

Мирзоев А.М. Биохимия. Учебное пособие для студентов направления 100800.62 « Товароведение» / А.М. Мирзоев, А.К. Алиева. – Спб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2013.- 166 с.

Учебное пособие предназначено для студентов направления подготовки 100800.62 «Товароведение», изучающих биохимию. Может использоваться также студентами направления 260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания».

В учебном пособии рассматриваются вопросы обмена основных пищевых веществ в организме человека, биохимические процессы при хранении и переработке пищевых продуктов растительного и животного происхождения.

Рецензенты: профессор ФГБОУ ВПО «СПбГАВМ», д-р биол. наук Л.М. Белова

Профессор ФГБОУ ВПО «СПбГУСЭ», д-р биол. наук А.В. Зачиняева

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия - это наука о веществах, из которых построены живые организмы, и о химических процессах, протекающих в живых организмах. Она является базой для основательного понимания всего, что происходит на более высоких уровнях организации живой материи и в первую очередь в клетках и живых организмах.

Биологическая химия изучает состав разнообразных живых систем и изменения этих веществ в процессе их жизнедеятельности. Выявление функционального значения веществ, составляющих живой организм – одна из центральных задач современной биохимии.

Значение биохимии как науки для человеческого общества определяется тем, что она является одной из теоретических основ медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, генетической инженерии и ряда отраслей промышленности. В основе многих патологических состояний человека лежат нарушения отдельных биохимических процессов. Известно более ста заболеваний, обусловленных нарушением деятельности ферментативных систем, отсутствием отдельных ферментов вследствие наследственных дефектов. Для некоторых заболеваний характерны изменения в химической структуре ряда высокомолекулярных соединений. Успехи биохимии определяют и стратегию создания новых лекарственных препаратов. Большой интерес в этом отношении представляет широкое использование ферментов при лечении некоторых заболеваний.

Биохимические процессы лежат в основе технологий пищевой промышленности: сыроварения, виноделия, хлебопечения, пивоварения, производства чая, жиров и масел, переработки молока, мяса и рыбы, плодов и овощей, производства крахмала и патоки. Биохимические знания необходимы при организации кожевенного производства, при изготовлении меховых изделий, обработке натурального шелка, хлопчатобумажных тканей. Широкое распространение получили такие биохимические производства, как изготовление антибиотиков, витаминов, органических кислот, кормового белка. Знания, полученные в изучении обмена веществ растений и животных, дали возможность получения больших урожаев с высоким качеством. Эффективно в этом отношении применение в сельском хозяйстве разнообразных химических препаратов: гербицидов, фунгицидов, кормовых витаминов, белков и антибиотиков, дефолиантов и дессикантов, инсектицидов, репеллентов и т.д.

В зависимости от объектов исследования различают биохимию человека и животных, биохимию растений, биохимию микроорганизмов. Биохимию делят на статическую биохимию, которая изучает химический состав и свойства веществ живых организмов, и динамическую биохимию, которая изучает превращения веществ в процессе жизнедеятельности. Выделяют разделы биохимии по направленности исследований.

Техническая биохимия разрабатывает биохимические основы тех отраслей промышленности, где перерабатываются сырье и материалы биологического происхождения (хлебопечение, сыроварение, виноделие и т.д.).

Медицинская биохимия изучает биохимические процессы в организме человека в норме и при патологии.

Эволюционная биохимия сопоставляет состав и пути превращения веществ и энергии различных систематических групп живых организмов в эволюционном плане.

Квантовая биохимия исследует свойства, функции и пути превращения различных веществ живых организмов в связи с электронными характеристиками этих веществ, полученными с помощью квантово-механических расчетов.

Энзимология изучает структуру, свойства и механизм действия энзимов (ферментов) – биологических катализаторов.

Биохимия – основа науки о питании. Использование биохимических знаний приводит к развитию новой культуры питания. Теория «сбалансированного» пищевого рациона исходит из представлений о рекомендуемых дозах основных пищевых веществ, витаминов и микроэлементов на основе современных знаний о роли отдельных веществ в обмене и потребности в них у здорового человека в различных условиях труда и быта.

В зависимости от уровня цивилизации эти требования до некоторой степени меняются; снижается потребление продуктов, создающих калорийность насыщенного организма, при этом иногда потребление биологически активных веществ уменьшается. Теория «сбалансированного» питания исходит из необходимого количества биологически активных веществ, покрывающих затраты организма на различные физиологические процессы и другие проявления жизнедеятельности при сохранении определенного веса и достаточно высокого уровня обмена веществ. Применение рассматриваемого принципа означает изменение структуры производства пищи, что при современном укладе жизни осуществляет предприятия общественного питания.

Из истории развития биохимии.Ещё в древности при изготовлении различных пищевых продуктов (молочнокислых, хлебобулочных), дублении кожи, пивоварении, виноделии и других использовались биохимические процессы. В средние века биохимические знания изучались в таких науках, как химия и физиология. Предпосылкой к выделению биохимии как самостоятельной дисциплины были исследования Либиха и его школы, уделявшего большое значение многим вопросам биохимии в особенности питания растений. Также интересны исследования русского ученого Кирхгофа (1764-1833), установившего ферментативный характер распада и синтеза крахмала в растениях, и Велера (1800-1882), который сумел искусственно получить мочевину из неорганического вещества как органическое соединение, образующееся в процессе жизнедеятельности животных организмов. Единство органической и неорганической материи было окончательно подтверждено исследованиями А.М. Бутлерова (1828-1886), осуществившего синтез углеводов, Бертло (1827-1907), открывшего синтез жиров, А.Я. Данилевского (1839-1923), синтезировавшего вне организма с помощью ферментов белковоподобные вещества из продуктов их расщепления.

Биологическая химия отделилась от органической химии после того, как был издан первый учебник физиологической химии А.И. Ходневым (1847), а в 1862 г. в России, в Казанском университете, А.Я. Данилевским была организована первая кафедра медицинской химии. Учение Пастера процессов брожения, их отношения к дыханию помогли выявить особую роль ферментов в жизнедеятельности организмов.

Однако наибольший расцвет биохимии связан с исследованиями, проводившимися в начале ХХ столетия. К этому периоду относятся работы Э. Фишера по аминокислотам и углеводам, И.П. Павлова – по ферментативным и гормональным механизмам пищеварения, Мишера по нуклеиновым кислотам. В это же время были открыты витамины. Наиболее выдающимися следует считать работы О. Варбурга, А. Сент-Дьерьи, В.И. Палладина, А.Н. Баха, В.А. Энгельгардта, обосновавших современную теорию биологического окисления и энергетику этого процесса, исследования Хефиши и Шонхеймера по применению радиоактивных изотопов в изучении обмена веществ. Исследования по структуре белка связаны с именами Санджера, Кендрью, Перутца, а расшифровка нуклеиновых кислот - Чартгафа, Уотсона, Крика, Белозерского и др. Эти исследования положили начало новому направлению в биохимии, получившему название молекулярной биологии.

В нашей стране продолжают активно развиваться различные направления биохимических исследований. В МГУ многие годы под руководством академика С. Е. Северина плодотворно проводились работы по биохимии дыхания. Крупные работы приоритетного характера по биоэнергетике выполняются в МГУ В. П. Скулачевым. Большие успехи достигнуты коллективом Института биохимии, особенно в области энзимологии (И. В. Березин), биологической фиксации азота воздуха и азотного обмена растений, технической биохимии (В. Л. Кретович), биохимии и биофизики фотосинтеза (А. А. Красновский). Ряд интереснейших открытий в области биосинтеза белков и их структуры сделаны в Институте белка (А. С. Спирин), по исследованию структуры и функций нуклеиновых кислот, некоторым энзимологическим проблемам — в Институте молекулярной биологии (В. А. Энгельгардт, А. Е. Браунштейн, А. А. Баев, Г. П. Георгиев). Широкое признание в нашей стране и за рубежом получили исследования структуры и свойств мембран Ю. А. Овчинниковым (Институт биоорганической химии). Кроме перечисленных институтов, интенсивные и успешные работы в области биохимии проводятся в Институте медицинской и биологической химии, Институте биохимии и физиологии микроорганизмов, Институте фотосинтеза, Институте биофизики, а также в ряде институтов ВАСХНИЛ (ныне РАСХН).

Роль биохимии в подготовке специалистов торговли и общественного питания. Биохимия глубоко проникла в процессы, происходящие в растениях, организме человека и животных, микроорганизмах. Соответственно возникли и различные отрасли биохимии: биохимия животных, биохимия растений, биохимия микроорганизмов, а также техническая биохимия, целью которой является изучение биохимических процессов, возникающих в сырье при его хранении и переработке.

Программа курса биохимии для товароведов-продовольственников и технологов общественного питания состоит из двух частей: 1) биохимия человека и 2) биохимические процессы при хранении и переработке пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья (техническая биохимия).

При изучении биохимии человека студенты усваивают биохимические свойства и обменные процессы основных пищевых веществ продовольственных товаров – белков, жиров , углеводов, роль витаминов , ферментов, минеральных веществ и гормонов в метаболических процессах в организме человека.

Во второй части студенты изучают вопросы влияния отдельных пищевых веществ продовольственных товаров и сельхозсырья на их технологические достоинства, качество и сохраняемость, что имеет важное значение при их переработке в пищевой промышленности и общественном питании, а также для организации их надлежащего хранения. Здесь же рассматриваются вопросы влияния ферментов на качество получаемых при переработке сырья пищевых продуктов. При этом рассматриваются как положительные стороны участия ферментов в формировании качества пищевых продуктов при их получении, так и отрицательные стороны. В этой же части рассматриваются и вопросы использования ферментов в пищевой промышленности.

Так, например, окислительно-восстановительные ферменты (тирозиназа, полифенолоксидаза, аскорбинатоксидаза, липоксигеназа) , как правило, негативно влияют на качество пищевых продуктов при их получении и хранении. Тирозиназа, окисляя аминокислоту тирозин, приводит к образованию темноокрашенных соединений ферментативной природы – меланинов. что имеет место, в частности, при чистке картофеля. Полифенолоксидаза, окисляя фенольные соединения, вызывает образование окрашенных соединений, известных под названием флобафены. Все это приводит к ухудшению качества сырья и получаемых из него продуктов питания и блюд.

Ряд гидролитических ферментов в определенных пределах приводит к улучшению качества и технологических свойств продуктов. Так, например, протеолитические ферменты активно участвуют в процессах созревания мяса при использовании его в мясной отрасли и общественном питании. Пектолитические и амилолитические ферменты участвуют в созревании свежих плодов. Фитаза повышает биологическую ценность хлеба.

Некоторые пищевые производства по сути своей являются биохимическими. К ним относится, в частности, производство чая.

Выше мы говорили о собственных ферментах, содержащихся в сельхозсырье и получаемых из них пищевых продуктах. Однако в производстве и хранении продовольственных товаров и кулинарных блюд велико значение ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Хотя в пищевой промышленности и общественном питании используются и ферменты, получаемые из растительного и животного пищевого сырья (реннин, папаин, фицин, бромелин), однако доминирующее значение имеют ферменты, получаемые из микроорганизмов. Возможности животного и растительного сырья как источника ферментов для пищевых производств весьма ограничены как в качественном отношении, так и количественном отношении.

Таким образом, биохимическая подготовка товароведов-продовольственников и технологов общественного питания является неотъемлемой органической частью их профессиональной подготовки. Биохимия является базовой дисциплиной при изучении студентами этих специальностей микробиологии, экологии, физиологии питания, товароведения и экспертизы продовольственных товаров, технологии продукции общественного питания, технологии хранения продовольственных товаров и др.

1. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ.

ОБЩАЯ БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Все живые системы состоят из разнообразных веществ, которые представляют собой различнообразное сочетание атомов каких-либо элементов. Исходя из данных Сиборга и Веленса, тело человека (весом 70 кг) включает в себя следующие элементы: кислород – 45 кг, углерод – 12,6; водород – 7,0; азот – 2,1; кальций – 1,4; фосфор – 0,7кг. Калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, кремний в сумме составляют 0,7 кг. Кобальт, молибден, барий, цинк, марганец, медь, олово содержатся в теле человека в очень маленьком количестве и поэтому их называют микроэлементами.

Изучение разнообразных живых систем показало, что в них встречаются одни и те же элементы в сходных количествах (табл. 1).

Таблица 1. Элементарный состав живых систем

Элементы	Содержание, %	Соединения и системы, в которые входит элемент
О, Н, С   N,Ca     P, Si, K   Na, Cl, Mg, Fe   Br, I, Mn, Zn, Cu, Co, Mo, B	10 и более   1-10     0.1   0,01-0,1   0,001-0,01	Н2О и почти все органические соединения С – все органические соединения N – в составе белка, нуклеиновых кислот, некоторых углеводов и липидов Са – в составе скелета животных, раковин моллюсков S- в белках Р – в составе фосфорорганических соединений Si- в опорных тканях простейших и растений К – во всех клетках, особенно много в растительных Na, Cl – главные элементы, обусловливающие осмотическое давление в клетках Mg – в хлорофилле растений Fe – в гемоглобине крови и многих ферментах Вся группа микроэлементов входит в состав ферментных систем

Из приведенных данных можно видеть роль отдельных элементов, входящих в состав живых систем. Однако, помимо перечисленных, обнаружен и ряд других элементов (около 40), биологическая роль которых до настоящего времени не выявлена. Не исключена возможность, что присутствие их в живых системах обусловлено механическим поступлением вместе с необходимыми веществами пищи.

При более детальном исследовании живых систем было найдено, что важнейшие соединения, т.е. молекулы, из которых построены живые организмы, практически одни и те же у самых разнообразных организмов. Это дает основание для утверждения общего принципа единства биохимического строения живых систем.

Если рассмотреть химический состав клеток живых систем с количественной стороны, то подсчет молекул активной цитоплазмы покажет, что наибольшее их количество принадлежит воде и растворенным в ней неорганическим веществам (табл. 2).

Таблица 2. Состав и относительное число молекул в цитоплазме (по де Робертису)

Вещество	% от сырого веса цитоплазмы	Средний молекулярный вес	Относительное число молекул
Вода Белок Липиды Углеводы и другие вещества Неорганические вещества	85-90 7-10 1-2 1,0-1,5 1,5

Органические вещества по числу молекул занимают меньший удельный вес, чем неорганические, но их биологическая роль огромна. Это особенно относится к белкам и нуклеиновым кислотам, присутствие которых характерно для всех живых систем и с которыми связаны все стороны проявления жизни. В последние годы, кроме крахмала и гликогена, выявлен ряд весьма важных полисахаридов, играющих ведущую роль в процессах проницаемости, иммунитета и др.

Среди молекул органического происхождения, имеющих относительно небольшой размер, но выполняющих важные биологические функции, следует назвать сахара (моно- и дисахариды), липиды, витамины, гормоны, некоторые азотистые и фосфорорганические соединения и другие многочисленные продукты синтеза и распада основных органических веществ, находящих в составе клеток всех живых систем.

Биологические структуры

Живые системы, даже самые простые, характеризуются высокой упорядоченностью, значительно превосходящей любые неживые системы.

Появление микроскопа привело к открытию клетки - структурной единицы каждой ткани всех живых организмов. Основные черты строения клетки, определяющие возможность осуществления упорядоченных процессов, составляющих основу жизни, одинаковы для животных, растений и микроорганизмов.

Клетка - это внешне простая система, состоящая из цитоплазмы и ядра. Однако в ней сосредоточены важнейшие проявления жизни: синтез белка, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других веществ, что дает основание считать ее сложнейшей химической системой.

С развитием электронномикроскопической техники в клетке были открыты структуры, о которых ранее не было известно (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения клетки животного: 1- ядро; 2 - ядрышко; 3 - ядерная мембрана; 4 - цитоплазма; 5 - аппарат Гольджи; 6 - митохондрии; 7 - лизосома; 8 - эндоилазматическая.

Стало видно, что цитоплазма клеток дифференцированна и содержит следующие компоненты: митохондрии, в которых происходят окислительные реакции, снабжающие клетку энергией; эндоплазматический ретикулум – систему канальцев, пронизывающих цитоплазму, связывающую ее с ядром; ядро, содержащее хромосомы, в молекулярных структурах которых записана генетическая информация; ядрышко – место скопления рибонуклеиновых кислот; центросому – орган, определяющий плоскость деления клетки; рибосомы, в которых синтезируется белок; _аппарат Гольджи, найденный почти во всех клетках. Снаружи, клетка покрыта оболочкой, состоящей из наружного защитного слоя