Біологічно активними речовинами (БАВ) називають сполуки, які через свої фізико-хімічні властивості мають певну активність і позитивно впливають на певну функцію організму, іноді не просто стимулюючи або змінюючи її, а й повністю її заміняючи.
Абсолютно індиферентних речовин немає. Всі речовини до певної міри впливають на функції організму, допомагаючи досягти певного ефекту.
Саме велика кількістьбіологічно активних сполук знайдено саме у рослинній їжі. Такі речовини називають фітосполуками. Вони впливають на процеси метаболізму та сприяють знешкодженню чужорідних речовин в організмі. Крім того, вони можуть пов'язувати вільні радикали.
За хімічною природою біологічно активні сполуки поділяють на терпени, феноли, тіоли та лігнани.
Терпени
Терпени – це фітосполуки, що діють як антиоксиданти. У тому числі до цієї групи входять каротиноїди. На сьогоднішній день відомо більше 600 каротиноїдів,
Феноли та поліфеноли
Серед фенолів та їх сполук найбільш вивченими є флавоноїди. Сьогодні виявлено, вивчено та описано близько 5000 представників флавоноїдів.
Флаванони – це певні флавоноїди, наявні в цитрусових фруктах. Також вони зустрічаються в , але лише в певних їх видах та в дуже малій кількості.
До флаванонів відносять гесперитин, антоціани та проантоціанідини. Ці речовини містяться в яблуках, чорній та червоній смородині, чорному чаї, червоному вигляді, шоколаді та всіх видах цитрусових. Усі перелічені активні речовини перешкоджають розвитку атеросклеротичних захворювань, сприяють профілактиці серцево-судинних захворювань. Існує припущення, згідно з яким активні сполуки цих груп також є протизапальним та противірусним ефектами.
Тіоли
В овочах сімейства хрестоцвітих, таких як броколі та різні видикапусти, знаходяться сірковмісні біологічно активні речовини. Вони включають кілька підгруп - індоли, дитіолтіони і ізотіоціанати.
Доведено, що вживання цих активних речовин пригнічує ймовірність виникнення раку легені, шлунка, товстої та прямої кишки. Це щільно пов'язане з дією тіолових сполук.
Активні речовини, що відносяться до тіол, містяться в цибулі і часнику.
Лігнани
Ще одна підгрупа активних фітоз'єднань – лігнани. Вони містяться в насінні льону, пшеничних висівках, житнього борошна, та вівсяної крупи, ячмінь.
Споживання продуктів, що містять лігнани, значною мірою знижує ризик розвитку серцево-судинних та онкологічних захворювань.
Федеральне агентство з освіти
Державний освітній заклад
вищої професійної освіти «Пермський державний технічний університет» Кафедра хімії та біотехнології
Хімія біологічно активних сполук
Конспект лекцій для студентів очної форми навчання
за спеціальністю 070100 «Біотехнологія»
Видавництво
Пермського державного технічного університету
Упорядник: канд. Біол. Наук Л.В. Анікіна
Рецензент
канд. хім. наук, доц. І.А.Толмачова
(Пермський державний університет)
Хімія біологічно активних речовин/ Уклад. Л.В. Анікіна - Перм: Вид-во Пермь. держ. техн. ун-ту, 2009. - 109 с.
Наведено конспект лекцій за програмою курсу «Хімія біологічно активних речовин».
Призначено для студентів очної форми навчання за напрямом 550800 Хімічна технологіята біотехнологія», спеціальності 070100 «Біотехнологія».
© ГОУ ВПО
«Пермський державний
технічний університет», 2009
Введение…………………………………………………………………………..4
Лекція 1. Хімічні компоненти живого…………………………………….7
Лекція 2. Вуглеводи…………………………………………………………… .12
Лекція 3. Ліпіди………………………………………………………………..20
Лекція 4. Амінокислоти……………………………………………………..…35
Лекція 5. Білки……………………………………………………………….….43
Лекція 6. Властивості білків……………………………………………………...57
Лекція 7. Прості та складні білки…………………………………………...61
Лекція 8. Нуклеїнові кислоти та нуклеопротеїди………………………….72
Лекція 9. Ферменти………………………………………………………….….85
Лекція 10. Класифікація ферментів………………………………………... 94
Вступ
Під час підготовки фахівців з біотехнології найважливішими базовими дисциплінами є біохімія, органічна хімія та хімія біологічно активних речовин. Ці дисципліни становлять фундаментальну основу біотехнології, з розвитком якої пов'язують вирішення таких найважливіших соціальних проблем сучасності, як забезпечення енергією, кормовими та харчовими ресурсами, охорона довкілля та здоров'я людини.
Відповідно до вимог Державного Стандарту вищої професійної освіти до обов'язкового мінімуму змісту основних освітніх програмза напрямом 550800 «Хімічна технологія та біотехнологія», спеціальності 070100 «Біотехнологія» дисципліна «Хімія біологічно активних речовин» включає наступні дидактичні одиниці: структура та просторова організація білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів та низькомолекулярних; поняття про ферменти, антитіла, структурні білки; ферментативний каталіз.
Мета викладання дисципліни «Хімія біологічно активних речовин» полягає у формуванні у студентів уявлень про структуру та основи функціонування біологічно активних речовин, про ферментативний каталіз.
Лекції з дисципліни "Хімія біологічно активних речовин" базується на знанні студентами курсів "Загальна хімія", "Неорганічна хімія", "Фізична хімія", "Аналітична хімія" та "Хімія координаційних сполук". Положення цієї дисципліни використовуються для подальшого вивчення курсів "Біохімія", "Мікробіологія", "Біотехнологія".
Пропонований конспект лекцій розкриває такі теми, які читаються в курсі «Хімія біологічно активних речовин»:
Вуглеводи, класифікація, хімічна будова та біологічна роль, хімічні реакції, властиві вуглеводам Моносахариди, дисахариди, полісахариди.
Ліпіди. Класифікація з хімічної будови, біологічні функції ліпідів та їх похідних – вітамінів, гормонів, біорегуляторів
Амінокислоти, загальна формула, Класифікація та бологічна роль. Фізико-хімічні властивості амінокислот. Протеїногенні амінокислоти, амінокислоти як попередники біологічно активних молекул - коферментів, жовчних кислот, нейромедіаторів, гормонів, гістогормонів, алкалоїдів, та деяких антибіотиків.
Білки, елементний склад та функції білків. Первинна структура білка. Характеристика пептидного зв'язку. Вторинна структура білка: α-спіраль та β-складчастість. Надвторинна структура білка, доменний принцип еволюції білків. Третинна структура білка та зв'язку, її стабілізуючі. Поняття про фібрилярні та глобулярні білки. Четвертична структура білка.
Фізико-хімічні та біологічні властивостібілків. Денатурація. Шаперони.
Прості білки: гістони, протаміни, проламіни, глютеїни, альбуміни, глобуліни, склеропротеїди, токсини.
Складні білки: хромопротеїди, металопротеїди, ліпопротеїди, глікопротеїди, протеоглікани, нуклеопротеїди.
Нуклеїнові кислоти, біологічна роль клітині. Азотисті основи, нуклеозиди, нуклеотиди, полінуклеотиди ДНК та РНК. Види РНК. Просторова структураДНК, рівні компактизації ДНК у хроматині.
Ферменти як біологічні каталізатори, їхня відмінність від каталізаторів небілкової природи. Прості та складні ферменти. Активний центр ферменту. Механізм дії ферментів, зниження енергії активації, утворення фермент-субстратного комплексу, теорія деформації зв'язків, кислотно-основний та ковалентний каталіз. Ізоформи ферментів. Поліферментні системи
Регуляція активності ферментів на клітинному рівні: обмежений протеоліз, агрегація молекул, хімічна модифікація, алостеричне інгібування. Типи інгібування: оборотне та незворотне, конкурентне та неконкурентне. Активатори та інгібітори ферментів.
Номенклатура ферментів. Міжнародна класифікаціяферментів.
Оксидоредуктази: НАД-залежні дегідрогенази, флавінзалежні дегідрогенази, хінони, система цитохромів, оксидази.
Трансферази: фосфотрансферази, ацилтрансферази та коензим-А, амінотрансферази, що використовують піридоксальфосфат, С 1 -трансферази, що містять як коферменти активні форми фолієвої кислотита ціанокобаламіну, глікозилтрансферази.
Гідролази: естерази, фосфатази, глікозидази, пептидази, амідази.
Ліази: декарбоксилази, що використовують як кофермент тіамінпірофосфат, альдолаза, гідратази, дезамінази, синтази.
Ізомерази: перенесення водню, фосфатних та ацильних груп, переміщення подвійних зв'язків, стереоізомерази.
Лігази: сполученість синтезу з розпадом АТФ, карбоксилази та роль карбоксибіотину, ацил-коензим А-синтетази.
Наприкінці конспекту лекцій наведено список літератури, якою необхідно скористатися для успішного освоєння курсу «Хімія біологічно активних речовин».
Речовини (скорочено - БАВ) - це особливі хімічні речовини, які мають при невеликій концентрації високу активність до певних груп організмів (людина, рослини, тварини, гриби) або до певних груп клітин. БАВ застосовують у медицині та як профілактику хвороб, а також для підтримки повноцінної життєдіяльності.
Біологічно активні речовини бувають:
1. Алкалоїди - азотовмісні природи. Як правило, рослинного походження. Мають основні властивості. Нерозчинні у воді, з кислотами утворюють різні солі. Мають гарну фізіологічну активність. У великих дозах – це найсильніші отрути, у малих – ліки (медикаменти "Атропін", "Папаверін", "Ефедрін").
2. Вітаміни – особлива група органічних сполук, які життєво необхідні тваринам та людині для гарного метаболізму та повноцінної життєдіяльності. Багато вітамінів беруть участь в освіті необхідних ферментів, гальмують чи прискорюють активність певних ферментних систем Також вітаміни використовуються як до їжі (входять до їх складу). Деякі вітаміни надходять в організм з їжею, інші утворюються мікробами в кишечнику, треті - з'являються в результаті синтезу жироподібних речовинпід впливом ультрафіолету. Нестача вітамінів може призвести до різним порушеннямв обміні речовин. Хворобу, яка виникла внаслідок малого надходження вітамінів в організм, називають авітамінозом. Недолік – а надмірна кількість – гіпервітаміноз.
3. Глікозиди – сполуки органічної природи. Мають найрізноманітніший вплив. Молекули глікозидів складаються з двох важливих частин: нецукровистої (аглікону або геніну) та цукристої (глікон). У медицині використовують для лікування захворювань серця та судин, як протимікробний та відхаркувальний засіб. Також глікозиди знімають втому розумову та фізичну, дезінфікують сечові шляхи, заспокоюють ЦНС, покращують травлення та підвищують апетит.
4. Гліколалкалоїди – біологічно активні речовини, споріднені з глікозидами. З них можна отримати такі лікарські засоби: "Кортизон", "Гідрокортизон" та інші.
5. (інша назва - таніди) здатні облягати білки, слизу, клейові речовини, алкалоїди. Тому вони несумісні з цими речовинами в ліках. З білками вони утворюють альбумінати (запальний засіб).
6. Масла жирні – це жирних кислот або спирту триатомного. Деякі жирні кислотиберуть участь у виведенні з організму холестерину.
7. Кумарини – це біологічно активні речовини, в основі яких лежить ізокумарин або кумарин. У цю ж групу відносять піранокумарини та фурокумарини. Деякі кумарини мають спазмолітичну дію, інші проявляють капілярозміцнювальну активність. Також існують кумарини протиглистової, сечогінної, курареподібної, протимікробної, знеболювальної та іншої дії.
8. Мікроелементи, як і вітаміни, теж додаються до біологічно активних харчові добавки. Вони входять до складу вітамінів, гормонів, пігментів, ферментів, утворюють хімічні сполуки з білками, накопичуються у тканинах та органах, у залозах ендокринних. Для людини важливі мікроелементи: бір, нікель, цинк, кобальт, молібден, свинець, фтор, селен, мідь, марганець.
Існують і інші біологічно активні речовини: (бувають леткі та нелеткі), пектинові речовини, пігменти (інша назва - барвники), стероїди, каротиноїди, флавоноїди, фітонциди, екдизони, ефірні олії.
Вся життєдіяльність організму стоїть на трьох китах – саморегуляції, самооновленні та самовідтворенні. У процесі взаємодії зі змінним середовищем організм вступає з нею в складні відносини і постійно пристосовується до умов, що змінюються. Це і є саморегуляція, важлива роль забезпеченні якої належить біологічно активним речовинам.
Основні біологічні поняття
Під саморегуляцією у біології розуміють здатність організму підтримувати динамічний гомеостаз.
Гомеостаз – це відносне сталість складу та функцій організму всіх рівнях організації – клітинному, органному, системному, организменном. І саме на останньому підтримка гомеостазу забезпечується біологічно активними речовинами регуляторних систем. А в організмі людини цим займаються такі системи – нервова, ендокринна та імунна.
Біологічно активні речовини, що виділяються організмом, це речовини, здатні в малих дозах змінювати швидкість обмінних процесів, регулювати метаболізм, синхронізувати роботу всіх систем організму, а також впливати на особин протилежної статі.
Багаторівневе регулювання – різноманітність агентів впливу
Біологічно активними речовинами можуть вважатися абсолютно всі сполуки та елементи, що зустрічаються в організмі людини. І хоча всі вони мають специфічну активність, виконуючи або впливаючи на каталітичні (вітаміни та ферменти), енергетичні (вуглеводи та ліпіди), пластичні (білки, вуглеводи та ліпіди), регуляторні (гормони та пептиди) функції організму. Усі вони поділяються на екзогенні та ендогенні. Екзогенні біологічно активні речовини надходять в організм ззовні та різними шляхами, А ендогенними вважаються всі елементи та речовини, що входять до складу організму. Зупинимо свою увагу на деяких важливих для життєдіяльності нашого організму речовин, дамо коротку їхню характеристику.
Головні – гормони
Біологічно активні речовини гуморального регулюванняорганізму – гормони, які синтезуються залозами внутрішньої та змішаної секреції. Головні їх властивості полягають у наступному:
- Діють з відривом від місця освіти.
- Кожен гормон суворо специфічний.
- Швидко синтезуються та швидко інактивуються.
- Ефект досягається за дуже малих доз.
- Виконують роль проміжної ланки у нервовій регуляції.
Секреція біологічно активних речовин (гормонів) забезпечується ендокринною системоюлюдини, до якої входять залози внутрішньої секреції(гіпофіз, епіфіз, щитовидка, паращитовидні, вилочкова, надниркові) та змішаної секреції (підшлункова та статеві залози). Кожна заліза виділяє власні гормони, які мають усі перераховані властивості, працюють за принципами взаємодії, ієрархічності, зворотнього зв'язку, взаємозв'язку з зовнішнім середовищем. Всі вони стають біологічно активними речовинами крові людини, адже лише таким способом вони доставляються до агентів взаємодії.
Механізм впливу
Біологічно активні речовини залоз включаються в біохімію життєвих процесіві впливають на специфічні клітини чи органи (мішені). Вони можуть бути білкової природи (соматотропін, інсулін, глюкагон), стероїдними (статеві та гормони надниркових залоз), бути похідними амінокислот (тироксин, трийодтиронін, норадреналін, адреналін). Біологічно активні речовини залоз внутрішньої та змішаної секреції забезпечують контроль за етапами індивідуального ембріонального та постембріонального розвитку. Їхній недолік або надлишок призводить до порушень різного ступеня тяжкості. Наприклад, недолік біологічно активної речовини залози внутрішньої секреції гіпофіза (гормону росту) призводить до розвитку карликовості, а його надлишок у дитячому віці- До гігантизму.
Вітаміни
Існування цих низькомолекулярних органічних біологічно активних речовин відкрив російський лікар М.І. Лунін (1854-1937). Це речовини, що не виконують пластичних функцій і не синтезуються (або синтезуються в дуже обмеженій кількості) в організмі. Саме тому основним джерелом їх отримання є їжа. Як і гормони, вітаміни виявляють свою дію в малих дозах та забезпечують перебіг процесів метаболізму.
По своєму хімічного складута впливу на організм вітаміни дуже різноманітні. У нашому організмі лише вітаміни групи В і К синтезуються бактеріальною мікрофлорою кишечника, а вітамін D синтезується клітинами шкіри під впливом ультрафіолету. Всі інші ми приїжджаємо з продовольством.
Залежно від забезпеченості організму цими речовинами виділяють такі патологічні стани: авітамінози ( повна відсутністьбудь-якого вітаміну), гіповітамінозу (частковий дефіцит) та гіпервітамінозу (надлишок вітаміну, частіше – А, D, С).
Мікроелементи
До складу нашого організму входить 81 елемент періодичної таблиці 92. Всі вони важливі, але деякі необхідні нам у мікроскопічних дозах. Ці мікроелементи (Fe, I, Cu, Cr, Mo, Zn, Co, V, Se, Mn, As, F, Si, Li, B та Br) довго залишалися загадкою для вчених. Сьогодні їхня роль (як підсилювачів потужності ферментної системи, каталізаторів обмінних процесів та будівельних елементів біологічно активних речовин організму) не викликає сумнівів. Дефіцит мікроелемента в організмі призводить до утворення ущербних ферментів та порушення їх функцій. Наприклад, дефіцит цинку призводить до порушень у транспортуванні вуглекислоти та до порушення роботи всієї судинної системи, розвитку гіпертонії
І прикладів можна наводити безліч, а загалом дефіцит одного або декількох мікроелементів призводить до затримок розвитку та зростання, порушень кровотворення та роботи імунної системи, розбалансування регуляторних функцій організму І навіть до передчасного старіння.
Органічні та активні
Серед безлічі органічних сполук, які відіграють найважливішу роль нашому організмі, виділимо такі:
- Амінокислоти, яких в організмі синтезується дванадцять із двадцяти однієї.
- Вуглеводи. Особливо глюкоза, без якої мозок не може правильно працювати.
- органічні кислоти. Антиоксиданти – аскорбінова та янтарна, антисептична бензойна, покращувач роботи серця – олеїнова.
- Жирні кислоти. Всім відомі Омега-3 та 5.
- Фітонциди, які містяться в рослинній їжі та мають здібності до знищення бактерій, мікроорганізмів та грибків.
- Флавоноїди (фенольні сполуки) та алкалоїди (азотовмісні речовини) природного походження.
Ферменти та нуклеїнові кислоти
Серед біологічно активних речовин крові слід виділити ще дві групи органічних сполук – ферментні комплекси та аденозинтрифосфорні нуклеїнові кислоти (АТФ).
АТФ є універсальною енергетичною валютою організму. Усі обмінні процеси у клітинах нашого тіла протікають за участю цих молекул. Крім того, активний транспорт речовин через клітинні мембрани неможливий без цієї енергетичної складової.
Ферменти (як біологічні каталізатори всіх процесів життєдіяльності) також є біологічно активними та необхідними. Досить сказати, що гемоглобін еритроцитів не може обійтися без специфічних ферментних комплексів та аденозинтрифосфорної нуклеїнової кислотияк при фіксації кисню, так і за його віддачі.
Чарівні феромони
Одними з найзагадковіших біологічно активних утворень є афродизіаки, Головна метаяких - встановлення комунікації та сексуального потягу. У людини ці речовини виділяються в області носа та губних складок, грудей, в анальній та генітальній областях, пахвових западинах. Вони працюють у мінімальних кількостях і навіть не усвідомлюються на свідомому рівні. Причина тому – вони потрапляють у вомероназальний орган (розташований у носовій порожнині), у якого прямий нервовий зв'язок із глибинними структурами головного мозку (гіпоталамусом та таламусом). Крім залучення партнера, останні дослідження доводять, що саме ці леткі освіти відповідальні за плодючість, інстинкти турботи про потомство, зрілість і міцність шлюбних зв'язків, агресивність чи покірність. Чоловічий феромон андростерон та жіночий копулін швидко руйнуються у повітрі та працюють тільки при близьких контактах. Саме тому не варто особливо довіряти косметологічним виробникам, які активно експлуатують тему афродизіаків у своїй продукції.
Декілька слів про БАДи
Сьогодні не знайти людину, яка не чула б про біологічно активні добавки (БАД). Фактично це комплекси біологічно активних речовин різного складу, які не є лікарськими засобами. Біологічно активні добавки можуть бути фармацевтичним продуктом – дієтичними добавками, вітамінними комплексами. Або ж продуктами харчування, додатково збагаченими активними компонентами, які не містяться в даному продукті.
Світовий ринок біологічно активних добавоксьогодні величезний, та й росіяни не відстають. Деякі опитування показали, що цей продукт приймає кожен четвертий росіянин. При цьому 60% споживачів використовують його як додаток до їжі, 16% - як джерела вітамінів та мікроелементів, а 5% упевнені, що біологічно активні добавки є лікарськими засобами. Крім того, зареєстровані і випадки, коли під виглядом біологічно активних добавок як спортивного харчуваннята засобів для зниження ваги продавалися добавки, в яких були виявлені психотропні речовинита наркотичні засоби.
Можна бути прихильником чи противником прийому даного продукту. Світова думка рясніє різними даними з цього питання. В будь-якому випадку здоровий образжиття та різноманітне збалансоване харчуванняне зашкодить вашому організму, позбавить сумнівів щодо прийому тих чи інших харчових добавок.
Вступ
Будь-який живий організм є відкритою фізико-хімічною системою, яка може активно існувати лише в умовах досить інтенсивного потоку хімічних речовин, необхідних для розвитку та підтримки структури та функції. Для гетеротрофних організмів (тварин, грибів, бактерій, найпростіших, безхлорофільних рослин) хімічні сполуки постачають всю або більшу частинуенергії, яка потрібна на їх життєдіяльності. Крім постачання живих організмів будівельним матеріаломта енергією, вони виконують різноманітні функції носіїв інформації для одного організму, забезпечують внутрішньо- та міжвидову комунікацію.
Таким чином, під біологічною активністю хімічної сполукислід розуміти його здатність змінювати функціональні можливості організму ( invitroабо invivo) чи спільноти організмів. Таке широке визначення біологічної активності означає, що майже будь-яка хімічна сполука або композиція сполук має той чи інший вид біологічної активності.
Навіть дуже інертні в хімічному відношенні речовини можуть мати помітне біологічною дієюза відповідного способу введення в організм.
Таким чином, можливість знайти біологічно активне з'єднаннясеред усіх хімічних сполук близька до одиниці, проте знаходження хімічної сполуки з заданим видомбіологічної активності є досить складне завдання.
Біологічно активні речовини- хімічні речовини, необхідні для підтримки життєдіяльності живих організмів, що мають високу фізіологічну активність при невеликих концентраціях по відношенню до певних груп живих організмів або їх клітин.
За одиницю біологічної активності хімічної речовиниприймають мінімальну кількість цієї речовини, здатної пригнічувати розвиток або затримувати зростання певної кількості клітин, тканин стандартного штаму (біотести) в одиниці живильного середовища.
Біологічна активність – поняття відносне. Одна і теж речовина може мати різну біологічну активність по відношенню до одного і того ж виду живого організму, тканини або клітини в залежності від значення рН, температури, інших БАВ. Чи варто говорити, що якщо йдеться про різні біологічні види, то дія речовини може бути однаковою, вираженою в різного ступеня, прямо протилежним або надавати помітну дію на один організм і бути інертним для іншого.
До кожного виду БАВ існують свої методи визначення біологічної активності. Так, для ферментів метод визначення активності полягає в реєстрації швидкості витрачання субстрату (S) або швидкості утворення продуктів реакції (Р).
Для кожного вітаміну існує свій метод визначення активності (кількості вітаміну в дослідному зразку (наприклад, таблетки) в одиницях МО).
Часто в медичній та фармакологічній практицівикористовують таке поняття, як ЛД 50 – тобто. концентрація речовини під час введення якої половина випробуваних тварин гине. Це міра токсичності БАВ.
Класифікація
Сама проста класифікація– Загальна – ділить усі БАВ на два класи:
- ендогенні
- екзогенні
До ендогенних речовин відносять
Loading...