I . Введение.

К биологически активным веществам относятся: ферменты, витамины и гормоны . Это жизненно важные и необходимые соединения, каждое из которых выполняет незаменимую и очень важную роль в жизнедеятельности организма.

Переваривание и усвоение пищевых продуктов происходит при участии ферментов. Синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, липидов, гормонов и других веществ в тканях организма представляет собой также совокупность ферментативных реакций. Впрочем, и любое функциональное проявление живого организма - дыхание, мышечное сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и т.д. - тоже непосредственно связаны с действием соответствующих ферментных систем. Иными словами, без ферментов нет жизни. Их значение для человеческого организма не ограничивается рамками нормальной физиологии. В основе многих заболеваний человека лежат нарушения ферментативных процессов.

Витамины могут быть отнесены к группе биологически активных соединений , оказывающих свое действие на обмен веществ в ничтожных концентрациях. Это органические соединения различной химической структуры, которые необходимы для нормального функционирования практически всех процессов в организме. Они повышают устойчивость организма к различным экстремальным факторам и инфекционным заболеваниям, способствуют обезвреживанию и выведению токсических веществ и т.д.

Гормоны - это продукты внутренней секреции, которые вырабатываются специальными железами или отдельными клетками, выделяются в кровь и разносятся по всему организму в норме вызывая определенный биологический эффект.

Сами гормоны непосредственно не влияют на какие-либо реакции клетки. Только связавшись с определенным, свойственным только ему рецептором вызывается определенная реакция.

Нередко гормонами называют и некоторые другие продукты обмена веществ, образующиеся во всех [напр. углекислота] или лишь в некоторых [напр. ацетилхолин] тканях, обладающие в большей или меньшей степени физиологической активностью и принимающие участие в регуляции функций организма животных Однако такое широкое толкование понятия " гормоны" лишает его всякой качественной специфичности. Термином " гормоны" следует обозначать только те активные продукты обмена веществ, которые образуются в специальных образованиях - железах внутренней секреции. Биологически активные вещества, образующиеся в других органах и тканях, принято называть " парагормонами","гистогормонами","биогенными стимуляторами".

Биологически активные продукты обмена веществ образуются и в растениях, но относить эти вещества к гормонам совершенно не правильно.

А теперь познакомимся с каждой группой веществ, входящей в состав биологически активных, отдельно.

II . Ферменты.

1.История открытия.

В основе всех жизненных процессов лежат тысячи химических реакций. Они идут в организме без применения высокой температуры и давления, т.е. в мягких условиях. Вещества, которые окисляются в клетках человека и животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм энергией и строительным материалом. Но те же вещества могут годами храниться как в консервированном [изолированном от воздуха] виде, так и на воздухе в присутствии кислорода. Возможность быстрого переваривания продуктов в живом организме осуществляется благодаря присутствию в клетках особых биологических катализаторов - ферментов . Термин "фермент" (fermentum по-латыни означает "бродило", "закваска") был предложен голландским ученым Ван-Гельмонтом в начале XYII века. Так он назвал неизвестный агент, принимающий активное участие в процессе спиртового брожения.

Экспериментальное изучение ферментативных процессов началось в XYIII столетии, когда французский естествоиспытатель Р. Реомюр поставил опыты, чтобы выяснить механизм переваривания пищи в желудке хищных птиц. Он давал хищным птицам глотать кусочки мяса, заключенные в просверленную металлическую трубочку, которая была прикреплена к тонкой цепочке. Через несколько часов трубочку вытягивали из желудка птицы и выяснилось, что мясо частично растворилось. Поскольку оно находилось в трубочке и не могло подвергаться механическому измельчению, естественно было предположить, что на него воздействовал желудочный сок. Это предположение подтвердил итальянский естествоиспытатель Л. Спалланцани. В металлическую трубочку, которую заглатывали хищные птицы, Л.Спалланцани помещал кусочек губки. После извлечения трубки из губки выжимали желудочный сок. Затем нагревали мясо в этом соке, и оно полностью в нем " растворялось".

Значительно позже (1836г) Т. Шванн открыл в желудочном соке фермент пепсин (от греческого слова pepto - "варю") под влиянием которого и происходит переваривания мяса в желудке. Эти работы послужили началом изучения так называемых протеолитических ферментов.

Важным событием в развитии науки о ферментах явились работы К.С. Киргоффа. В 1814 г. действительный член Петербургской Академии наук К.С.Киргофф выяснил, что проросший ячмень способен превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщеплял свекловичный сахар на моносахариды - глюкозу и фруктозу. Это были первые исследования в ферментологии. Хотя на практике применение ферментативных процессов было известно с незапамятных времен (сбраживание винограда, сыроварение и др.)

В разных изданиях применяются два понятия: "ферменты" и " энзимы". Эти названия идентичны. Они обозначают одно и тоже - биологические катализаторы . Первое слово переводится как "закваска" , второе - "в дрожжах".

Долгое время не представляли,что происходит в дрожжах, какая сила, присутствующая в них, заставляет вещества разрушаться и превращаться в более простые. Только после изобретения микроскопа было установлено, что дрожжи - это скопление большого количества микроорганизмов, которые используют сахар в качестве своего основного питательного вещества. Иными словами, каждая дрожжевая клетка "начинена" ферментами способными разлагать сахар. Но в то же время были известны и другие биологические катализаторы, не заключенные в живую клетку, а свободно "обитающие" вне ее. Например, они были найдены в составе желудочных соков, клеточных экстрактов. В связи с этим в прошлом различали два типа катализаторов: считалось, что собственно ферменты неотделимы от клетки и вне ее не могут функционировать, т.е. они "организованы". А "неорганизованные" катализаторы, которые могут работать вне клетки, называли энзимами. Такое противопоставление "живых" ферментов и "неживых" энзимов объяснялось влиянием виталистов, борьбой идеализма и материализма в естествознании. Точки зрения ученых разделились. Основоположник микробиологии Л. Пастер утверждал, что деятельность ферментов определяется жизнью клетки. Если клетку разрушить, то прекратиться и действие фермента. Химики во главе с Ю. Либихом развивали чисто химическую теорию брожения, доказывая, что активность ферментов не зависит от существования клетки.

В 1871 г. русский врач М.М. Манассеина разрушила дрожжевые клетки, растирая их речным песком. Клеточный сок, отделенный от остатков клеток, сохранял свою способность сбраживать сахар. Через четверть века немецкий ученый Э. Бухнер получил бесклеточный сок прессованием живых дрожжей под давлением до 5*10 Па. Этот сок, подобно живым дрожжам, сбраживал сахар с образованием спирта и оксида углерода (IV):

C6H12O6--->2C2H5OH + 2CO2

Работы А.Н. Лебедева по исследованию дрожжевых клеток и труды других ученых положили конец виталистическим представления в теории биологического катализа, а термины "фермент" и "энзим" стали применять как равнозначные.

2.Свойства ферментов.

Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы характеризуются рядом специфических качеств, тоже вытекающих из их белковой природы. Эти качества отличают ферменты от катализаторов обычного типа. Сюда относятся термолабильность ферментов, зависимость их действия от значения рН среды, специфичность и, наконец, подверженность влиянию активаторов и ингибиторов.

Термолабильность ферментов объясняется тем, что температура, с одной стороны, воздействует на белковую часть фермента, приводя при слишком высоких значениях к денатурации белка и снижению каталитической функции, а с другой стороны, оказывает влияние на скорость реакции образования фермент-субстратного комплекса и на все последующие этапы преобразования субстрата, что ведет к усилению катализа.

Зависимость каталитической активности фермента от температуры выражается типичной кривой. До некоторого значения температуры (в среднем до 5О°С) каталитическая активность растет, причем на каждые 10°С примерно в 2 раза повышается скорость преобразования субстрата. В то же время постепенно возрастает количество инактивированного фермента за счет денатурации его белковой части. При температуре выше 50°С денатурация ферментного белка резко усиливается и, хотя скорость реакций преобразования субстрата продолжает расти, активность фермента, выражающаяся количеством превращенного субстрата, падает.

Детальные исследования роста активности ферментов с повышением температуры, проведенные в последнее время, показали более сложный характер этой зависимости, чем указано выше: во многих случаях она не отвечает правилу удвоения активности на каждые 10°С в основном из-за постепенно нарастающих конформационных изменений в молекуле фермента.

Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом . Температурный оптимум для различных ферментов неодинаков. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у папаина (фермент растительного происхождения, ускоряющий гидролиз белка) оптимум находится при 8О°С. В то же время у каталазы (фермент, ускоряющий распад Н2О2 до Н2О и О2) оптимальная температура действия находится между 0 и -10°С, а при более высоких температурах происходит энергичное окисление фермента и его инактивация.

доктор биологических наук, профессор В. М. Шкуматов ;

заместитель генерального директора по вопросам

инновационного развития РУП «Белмедпрепараты»

кандидат технических наук Т. В. Трухачева

Леонтьев, В. Н.

Химия биологически активных веществ: электронный курс текстов лекций для студентов специальности 1-48 02 01 «Биотехнология» очной и заочной форм обучения / В. Н. Леонтьев, О. С. Игнатовец. – Минск: БГТУ, 2013. – 129 с.

Электронный курс текстов лекций посвящен структурно-функциональным особенностям и химическим свойствам основных классов биологически активных веществ (белков, углеводов, липидов, витаминов, антибиотиков и др.). Описаны методы химического синтеза и структурного анализа перечисленных классов соединений, их свойства и воздействие на биологические системы, а также распространение в природе.

Тема 1. Введение	4
Тема 2. Белки и пептиды. Первичная структура белков и пептидов
Тема 3. Структурная организация белков и пептидов. Методы выделения
Тема 4. Химический синтез и химическая модификация белков и пептидов
Тема 5. Ферменты	45
Тема 6. Некоторые биологически важные белки	68
Тема 7. Структура нуклеиновых кислот	76
Тема 8. Строение углеводов и углеводсодержащих биополимеров
Тема 9. Структура, свойства и химический синтез липидов	104
Тема 10. Стероиды	117
Тема 11. Витамины	120
Тема 12. Введение в фармакологию. Фармакокинетика	134
Тема 13. Противомалярийные препараты	137
Тема 14. Средства, влияющие на центральную нервную систему
Тема 15. Сульфаниламидные препараты	144
Тема 16. Антибиотики	146
Список литературы	157

Тема 1. Введение
Химия биологически активных веществ изучает строение и биологические функции важнейших компонентов живой материи, в первую очередь биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов, уделяя осное внимание выяснению закономерностей взаимосвязи между структурой и биологическим действием. По существу, она является химическим фундаментом современной биологии. Разрабатывая основополагающие проблемы химии живого мира, биоорганическая химия способствует решению задач получения практически важных препаратов для медицины, сельского хозяйства, ряда отраслей промышленности.

Объекты изучения: белки и пептиды, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, биополимеры смешанного типа – гликопротеины, нуклеопротеины, липопротеины, гликолипиды и т. п.; алкалоиды, терпеноиды, витамины, антибиотики, гормоны, простагландины, ростовые вещества, феромоны, токсины, а также синтетические лекарственные препараты, пестициды и др.

Методы исследования: основной арсенал составляют методы органической химии, однако для решения структурно-функциональных задач привлекаются и разнообразные физические, физико-химические, математические и биологические методы.

Основные задачи: выделение в индивидуальном состоянии изучаемых соединений с помощью кристаллизации, перегонки, различных видов хроматографии, электрофореза, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования, противоточного распределения и т. п.; установление структуры, включая пространственное строение, на основе подходов органической и физико-органической химии с применением масс-спектрометрии , различных видов оптической спектроскопии (ИК, УФ, лазерной и др.), рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, методов быстрой кинетики и т. п. в сочетании с расчетами на ЭВМ; химический синтез и химическая модификация изучаемых соединений, включая полный синтез, синтез аналогов и производных, – с целью подтверждения структуры, выяснения связи строения и биологической функции, получения практически ценных препаратов; биологическое тестирование полученных соединений in vitro и in vivo .

Наиболее часто встречающиеся в биомолекулах функциональные группы:

гидроксильная (спирты)	аминогруппа (амины)
альдегидная (альдегиды)	амидная (амиды)
карбонильная (кетоны)	сложно-эфирная
карбоксильная (кислоты)	эфирная
сульфгидрильная (тиолы)	метильная
дисульфидная	этильная
фосфатная	фенильная
гуанидиновая	имидазольная

Тема 2. Белки и пептиды . Первичная структура белков и пептидов
Белки – высокомолекулярные биополимеры, построенные из остатков аминокислот. Молекулярная масса белков колеблется в пределах от 6 000 до 2 000 000 Да. Именно белки являются продуктом генетической информации, передаваемой из поколения в поколение, и осуществляют все процессы жизнедеятельности в клетке. Этим удивительным по разнообразию полимерам присущи одни из наиболее важных и разносторонних клеточных функций.

Белки можно разделить:
1) по строению : простые белки построены из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются, соответственно, только на свободные аминокислоты или их производные.

Сложные белки – это двухкомпонентные белки, которые состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. При гидролизе сложных белков, помимо свободных аминокислот, образуются небелковая часть или продукты ее распада. В их состав могут входить ионы металлов (металлопротеины), молекулы пигментов (хромопротеины), они могут образовывать комплексы с другими молекулами (липо-, нуклео-, гликопротеины), а также ковалентно связывать неорганический фосфат (фосфопротеины);

2. растворимости в воде :

– водорастворимые,

– солерастворимые,

– спирторастворимые,

– нерастворимые;

3. выполняемым функциям : к биологическим функциям белков относятся:

– каталитическая (ферментативная),

– регуляторная (способность регулировать скорость химических реакций в клетке и уровень метаболизма в целом организме),

– транспортная (транспорт веществ в организме и перенос их через биомембраны),

– структурная (в составе хромосом, цитоскелета, соединительных, мышечных, опорных тканей),

– рецепторная (взаимодействие рецепторных молекул с внеклеточными компонентами и инициирование специфического клеточного ответа).

Кроме этого, белки выполняют защитные, запасные, токсические, сократительные и другие функции;

4) в зависимости от пространственной структуры:

– фибриллярные (они используются природой как структурный материал),

– глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).

АМИНОКИСЛОТЫ, ИХ СВОЙСТВА
Аминокислотами называются карбоновые кислоты, содержащие аминогруппу и карбоксильную группу. Природные аминокислоты являются 2-аминокарбоновыми кислотами, или α-аминокислотами, хотя существуют такие аминокислоты, как β-аланин, таурин, γ-аминомасляная кислота. В общем случае формула α-аминокислоты выглядит так:


У α-аминокислот при 2-м атоме углерода имеются четыре разных заместителя, т. е. все α-аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический (хиральный) атом углерода и существуют в виде двух энантиомеров – L - и D -аминокислот. Природные аминокислоты относятся к L -ряду. D -аминокислоты встречаются в бактериях и пептидных антибиотиках.

Все аминокислоты в водных растворах могут существовать в виде биполярных ионов, причем их суммарный заряд зависит от рН среды. Величина рН, при которой суммарный заряд равен нулю, называется изоэлектрической точкой . В изоэлектрической точке аминокислота является цвиттер-ионом , т. е. аминная группа у нее протонирована, а карбоксильная – диссоциирована. В нейтральной области рН большинство аминокислот являются цвиттер-ионами:


Аминокислоты не поглощают свет в видимой области спектра, ароматические аминокислоты поглощают свет в УФ области спектра: триптофан и тирозин при 280 нм, фенилаланин при 260 нм.

Белки дают ряд цветных реакций, обусловленных наличием определенных аминокислотных остатков или общих химических группировок. Эти реакции широко используются для аналитических целей. Среди них наиболее известны нингидриновая реакция, позволяющая проводить количественное определение аминогрупп в белках, пептидах и аминокислотах, а также биуретовая реакция, применяемая для качественного и количественного определения белков и пептидов. При нагревании белка или пептида, но не аминокислоты, с CuSO 4 в щелочном растворе образуется окрашенное в фиолетовый цвет комплексное соединение меди, количество которого можно определить спектрофотометрически. Цветные реакции на отдельные аминокислоты используются для обнаружения пептидов, содержащих соответствующие аминокислотные остатки. Для идентификации гуанидиновой группы аргинина применяется реакция Сакагучи – при взаимодействии с а-нафтолом и гипохлоритом натрия гуанидины в щелочной среде дают красное окрашивание. Индольное кольцо триптофана может быть обнаружено реакцией Эрлиха – красно-фиолетовое окрашивание при реакции с п-диметиламино-бензальдегидом в H 2 SO 4 . Реакция Паули позволяет выявить остатки гистидина и тирозина, которые в щелочных растворах реагируют с диазобензол-сульфокислотой, образуя производные, окрашенные в красный цвет.

Биологическая роль аминокислот:

1) структурные элементы пептидов и белков, так называемые протеиногенные аминокислоты. В состав белков входят 20 аминокислот, которые кодируются генетическим кодом и включаются в белки в процессе трансляции, некоторые из них могут быть фосфорилированы, ацилированы или гидроксилированы;

2) структурные элементы других природных соединений – коферментов, желчных кислот, антибиотиков;

3) сигнальные молекулы. Некоторые из аминокислот являются нейромедиаторами или предшественниками нейромедиаторов, гормонов и гистогормонов;

4) важнейшие метаболиты, например, некоторые аминокислоты являются предшественниками алкалоидов растений, или служат донорами азота, или являются жизненно важными компонентами питания.

Номенклатура, молекулярная масса и значения pK аминокислот приведены в таблице 1.

Таблица 1
Номенклатура, молекулярная масса и значения pK аминокислот

Аминокислота	Обозначение	Молеку-лярная масса	pK 1 (−СООН)	pK 2 (−NH3+)	pK R (R -группы)
Глицин	Gly G	75	2,34	9,60	−
Аланин	Ala A	89	2,34	9,69	−
Валин	Val V	117	2,32	9,62	−
Лейцин	Leu L	131	2,36	9,60	−
Изолейцин	Ile I	131	2,36	9,68	−
Пролин	Pro P	115	1,99	10,96	−
Фенилаланин	Phe F	165	1,83	9,13	−
Тирозин	Tyr Y	181	2,20	9,11	10,07
Триптофан	Trp W	204	2,38	9,39	−
Серин	Ser S	105	2,21	9,15	13,60
Треонин	Thr T	119	2,11	9,62	13,60
Цистеин	Cys C	121	1,96	10,78	10,28
Метионин	Met M	149	2,28	9,21	−
Аспарагин	Asn N	132	2,02	8,80	−
Глутамин	Gln Q	146	2,17	9,13	−
Аспартат	Asp D	133	1,88	9,60	3,65
Глутамат	Glu E	147	2,19	9,67	4,25
Лизин	Lys K	146	2,18	8,95	10,53
Аргинин	Arg R	174	2,17	9,04	12,48
Гистидин	His H	155	1,82	9,17	6,00

Аминокислоты различаются по растворимости в воде. Это связано с их цвиттерионным характером, а также со способностью радикалов взаимодействовать с водой (гидратироваться). К гидрофильным относятся радикалы, содержащие катионные, анионные и полярные незаряженные функциональные группы. К гидрофобным – радикалы, содержащие алкильные или арильные группы.

В зависимости от полярности R -групп выделяют четыре класса аминокислот: неполярные, полярные незаряженные, отрицательно заряженные и положительно заряженные.

К неполярным аминокислотам относятся: глицин; аминокислоты с алкильными и арильными боковыми цепями – аланин, валин, лейцин, изолейцин; тирозин, триптофан, фенилаланин; иминокислота – пролин. Они стремятся попасть в гидрофобное окружение «внутри» молекулы белка (рис.1).

Рис. 1. Неполярные аминокислоты
К полярным заряженным аминокислотам относятся: положительно заряженные аминокислоты – гистидин, лизин, аргинин (рис. 2); отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислота (рис. 3). Они обычно выступают наружу, в водное окружение белка.

Остальные аминокислоты образуют категорию полярных незаряженных: серин и треонин (аминокислоты-спирты); аспарагин и глутамин (амиды аспарагиновой и глутаминовой кислот); цистеин и метионин (серосодержащие аминокислоты).

Поскольку при нейтральном значении рН СООН-группы глутаминовой и аспарагиновой кислот полностью диссоциированы, их принято называть глутаматом и аспартатом независимо от природы присутствующих в среде катионов.

В ряде белков содержатся особые аминокислоты, образующиеся путем модификации обычных аминокислот после их включения в полипептидную цепь, например, 4-гидроксипролин, фосфосерин, -карбоксиглутаминовая кислота и др.

Рис. 2. Аминокислоты с заряженными боковыми группами
Все аминокислоты, образующиеся при гидролизе белков в достаточно мягких условиях, обнаруживают оптическую активность, т. е. способность вращать плоскость поляризованного света (за исключением глицина).

Рис. 3. Аминокислоты с заряженными боковыми группами
Оптической активностью обладают все соединения, способные существовать в двух стереоизомерных формах L- и D-изомеры (рис. 4). В состав белков входят только L -аминокислоты.

L -аланин D -аланин
Рис. 4. Оптические изомеры аланина

Глицин не имеет асимметрического атома углерода, а треонин и изолейцин содержат по два асимметрических атома углерода. Все остальные аминокислоты имеют один асимметрический атом углерода.

Оптически неактивная форма аминокислоты называется рацематом, представляющим собой эквимолярную смесь D - и L -изомеров, и обозначается символом DL -.

М

ономеры аминокислот, входящих в состав полипептидов, называются аминокислотными остатками. Остатки аминокислот соединяются друг с другом пептидной связью (рис. 5), в формировании которой принимает участие -карбоксильная группа одной аминокислоты и α-аминогруппа другой.
Рис. 5. Образование пептидной связи
Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону образования свободных аминокислот, а не пептида. Поэтому биосинтез полипептидов требует катализа и затрат энергии.

Поскольку дипептид содержит реакционноспособные карбоксильную и аминогруппу, то к нему с помощью новых пептидных связей могут присоединяться другие аминокислотные остатки, в результате образуется полипептид – белок.

Полипептидная цепь состоит из регулярно повторяющихся участков – групп NHCHRCO, образующих основную цепь (скелет или остов молекулы), и вариабельной части, включающей характерные боковые цепи. R -группы аминокислотных остатков выступают из пептидного остова и формируют в значительной степени поверхность полимера, определяя многие физические и химические свойства белков. Свободное вращение в пептидном остове возможно между атомом азота пептидной группы и соседним -углеродным атомом, а также между -углеродным атомом и углеродом карбонильной группы. Благодаря этому линейная структура может приобретать более сложную пространственную конформацию.

Аминокислотный остаток, имеющий свободную -аминогруппу, называется N -концевым, а имеющий свободную -карбоксильную группу – С -концевым.

Структуру пептидов принято изображать с N -конца.

Иногда концевые -амино- и -карбоксильная группы связываются одна с другой, образуя циклические пептиды.

Пептиды различаются количеством аминокислот, аминокислотным составом и порядком соединения аминокислот.

Пептидные связи очень прочные, и для их химического гидролиза требуются жесткие условия: высокие температура и давление, кислая среда и длительное время.

В живой клетке пептидные связи могут разрываться с помощью протеолитических ферментов, называемых протеазами , или пептидгидролазами.

Так же, как и аминокислоты, белки являются амфотерными соединениями и в водных растворах заряжены. Для каждого белка существует своя изоэлектрическая точка – значение рН, при котором положительные и отрицательные заряды белка полностью скомпенсированы и суммарный заряд молекулы равен нулю. При значениях рН выше изоэлектрической точки белок несет отрицательный заряд, а при значениях рН ниже изоэлектрической точки – положительный.
СЕКВЕНАТОРЫ. СТРАТЕГИЯ И ТАКТИКА АНАЛИЗА ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ
Определение первичной структуры белков сводится к выяснению порядка расположения аминокислот в полипептидной цепочке. Эту задачу решают с помощью метода секвенирования (от англ. sequence –последовательность).

Принципиально первичную структуру белков можно определять путем непосредственного анализа аминокислотной последовательности или путем расшифровки нуклеотидной последовательности соответствующих генов с помощью генетического кода. Естественно, наибольшую надежность обеспечивает сочетание этих методов.

Собственно секвенирование на его сегодняшнем уровне позволяет определить аминокислотную последовательность в полипептидах, размер которых не превышает несколько десятков аминокислотных остатков. В то же время исследуемые полипептидные фрагменты значительно короче тех природных белков, с которыми приходится иметь дело. Поэтому необходимо предварительное разрезание исходного полипептида на короткие фрагменты. После секвенирования полученных фрагментов их необходимо снова сшить в первоначальной последовательности.

Таким образом, определение первичной последовательности белка сводится к следующим основным этапам:

1) расщепление белка на несколько фрагментов длиной, доступной для секвенирования;

2) секвенирование каждого из полученных фрагментов;

3) сборка полной структуры белка из установленных структур его фрагментов.

Исследование первичной структуры белка состоит из следующих стадий:

– определение его молекулярной массы;

– определение удельного аминокислотного состава (АК-состава);

– определение N - и С -концевых аминокислотных остатков;

– расщепление полипептидной цепи на фрагменты;

– расщепление исходной полипептидной цепи еще одним способом;

– разделение полученных фрагментов;

– аминокислотный анализ каждого фрагмента;

– установление первичной структуры полипептида с учетом перекрывающихся последовательностей фрагментов обоих расщеплений.

Поскольку пока не существует метода, позволяющего установить полную первичную структуру белка на целой молекуле, полипептидную цепь подвергают специфичному расщеплению химическими реагентами или протеолитическими ферментами. Смесь образовавшихся пептидных фрагментов разделяют и для каждого из них определяют аминокислотный состав и аминокислотную последовательность. После того как структура всех фрагментов установлена, необходимо выяснить порядок их расположения в исходной полипептидной цепи. Для этого белок подвергают расщеплению при помощи другого агента и получают второй, отличный от первого набор пептидных фрагментов, которые разделяют и анализируют аналогичным образом.

1. Определение молекулярной массы (нижеперечисленные методы подробно рассмотрены в теме 3):

– по вязкости;

– по скорости седиментации (метод ультрацентрифугирования);

– гельхроматография;

– электрофорез в ПААГ в диссоциирующих условиях.

2. Определение АК-состава. Анализ аминокислотного состава включает полный кислотный гидролиз исследуемого белка или пептида с помощью 6 н. соляной кислоты и количественное определение всех аминокислот в гидролизате. Гидролиз образца проводится в запаянных ампулах в вакууме при 150°С в течение 6 ч. Количественное определение аминокислот в гидролизате белка или пептида проводится с помощью аминокислотного анализатора.

3. Определение N- и С-аминокислотных остатков. В полипептидной цепи белка с одной стороны расположен аминокислотный остаток, несущий свободную α-аминогруппу (амино- или N -концевой остаток), а с другой – остаток со свободной α-карбоксильной группой (карбоксильный, или С -концевой остаток). Анализ концевых остатков играет важную роль в процессе определения аминокислотной последовательности белка. На первом этапе исследования он дает возможность оценить число полипептидных цепей, составляющих молекулу белка, и степень гомогенности исследуемого препарата. На последующих этапах с помощью анализа N -концевых аминокислотных остатков осуществляется контроль за процессом разделения пептидных фрагментов.

Реакции определения N-концевых аминокислотных остатков:

1) один из первых методов определения N -концевых аминокислотных остатков был предложен Ф. Сенгером в 1945 г. При реакции α- аминогруппы пептида или белка с 2,4-динитрофторбензолом получается динитрофенильное (ДНФ) производное, окрашенное в желтый цвет. Последующий кислотный гидролиз (5,7 н. НСl) приводит к разрыву пептидных связей и образованию ДНФ-производного N -концевой аминокислоты. ДНФ-аминокислота экстрагируется эфиром и идентифицируется хроматографическим методом в присутствии стандартов.

2) метод дансилирования. Наибольшее применение для определения N -концевых остатков в настоящее время находит разработанный в 1963 г. В. Греем и Б. Хартли дансильный метод. Как и метод динитрофенилирования, основан на введении в аминогруппы белка «метки», не удаляющейся при последующем гидролизе. Его первая стадия – реакция дансилхлорида (1-диметиламинонафталин-5-сульфохлорида) с непротонированной а-амино-группой пептида или белка с образованием дансилпептида (ДНС-пептида). На следующей стадии ДНС-пептид гидролизуется (5,7 н. НС1, 105°С, 12 - 16 ч) и освобождается N -концевая α-ДНС-аминокислота. ДНС-аминокислоты обладают интенсивной флуоресценцией в ультрафиолетовой области спектра (365 нм); обычно для их идентификации достаточно 0,1 - 0,5 нмоль вещества.

Имеется ряд методов, с помощью которых можно определять как N -концевой аминокислотный остаток, так и аминокислотную последовательность. К ним относятся деградация по методу Эдмана и ферментативный гидролиз аминопептидазами. Эти методы будут подробно рассмотрены ниже при описании аминокислотной последовательности пептидов.

Реакции определения С-концевых аминокислотных остатков:

1) среди химических методов определения С -концевых аминокислотных остатков заслуживают внимания метод гидразинолиза, предложенный С. Акабори, и оксазолоновый. В первом из них при нагревании пептида или белка с безводным гидразином при 100 - 120°С пептидные связи гидролизуются с образованием гидразидов аминокислот. С -концевая аминокислота остается в виде свободной аминокислоты и может быть выделена из реакционной смеси и идентифицирована (рис. 6).

Рис. 6. Расщепление пептидной связи гидразином
Метод имеет ряд ограничений. При гидразинолизе разрушаются глутамин, аспарагин, цистеин и цистин; аргинин теряет гуанидиновую группировку с образованием орнитина. Гидразиды серина, треонина и глицина лабильны и легко превращаются в свободные аминокислоты, что затрудняет интерпретацию результатов;

2) оксазолоновый метод, часто называемый методом тритиевой метки, основан на способности С -концевого аминокислотного остатка под действием уксусного ангидрида подвергаться циклизации с образованием оксазолона. В щелочных условиях резко увеличивается подвижность атомов водорода в положении 4 оксазолонового кольца и они могут быть легко заменена тритием. Образующиеся в результате последующего кислотного гидролиза тритиированного пептида или белка продукты реакции содержат радиоактивно меченную С -концевую аминокислоту. Хроматографирование гидролизата и измерение радиоактивности позволяют идентифицировать С -концевую аминокислоту пептида или белка;

3) чаще всего для определения С -концевых аминокислотных остатков используют ферментативный гидролиз карбоксипептидазами, позволяющий анализировать также и С-концевую аминокислотную последовательность. Карбоксипептидаза гидролизует только те пептидные связи, которые образованы С -концевой аминокислотой, имеющей свободную α-карбоксильную группу. Поэтому под действием этого фермента от пептида последовательно отщепляются аминокислоты, начиная с С -концевой. Это позволяет определить взаимное расположение чередующихся аминокислотных остатков.

В результате идентификации N - и С -концевых остатков полипептида получают две важных реперных точки для определения его аминокислотной последовательности (первичной структуры).

4. Фрагментация полипептидной цепи.

Ферментативные методы. Для специфического расщепления белков по определенным точкам применяются как ферментативные, так и химические методы. Из ферментов, катализирующих гидролиз белков по определенным точкам, наиболее широко используют трипсин и химотрипсин. Трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, расположенных после остатков лизина и аргинина. Химотрипсин преимущественно расщепляет белки после остатков ароматических аминокислот – фенилаланина, тирозина и триптофана. При необходимости специфичность трипсина может быть повышена или изменена. Например, обработка цитраконовым ангидридом исследуемого белка приводит к ацилированию остатков лизина. В таком модифицированном белке расщепление будет проходить только по остаткам аргинина. Также при исследовании первичной структуры белков широкое применение находит протеиназа, которая также относится к классу сериновых протеиназ. Фермент имеет два максимума протеолитической активности при рН 4,0 и 7,8. Протеиназа с высоким выходом расщепляет пептидные связи, образованные карбоксильной группой глутаминовой кислоты.

В распоряжении исследователей имеется также большой набор менее специфичных протеолитических ферментов (пепсин, эластаза, субтилизин, папаин, проназа и др.). Эти ферменты используются в основном при дополнительной фрагментации пептидов. Их субстратная специфичность определяется природой аминокислотных остатков , не только образующих гидролизуемую связь, но и более удаленных по цепи.

Химические методы.

1) среди химических методов фрагментации белков наиболее специфичным и чаще всего применяемым является расщепление бромцианом по остаткам метионина (рис 7).

Реакция с бромцианом проходит с образованием промежуточного циансульфониевого производного метионина, спонтанно превращающегося в кислых условиях в иминолактон гомосерина, который, в свою очередь, быстро гидролизуется с разрывом иминной связи. Получающийся на С -конце пептидов лактон гомосерина далее частично гидролизуется до гомосерина (HSer), в результате чего каждый пептидный фрагмент, за исключением С -концевого, существует в двух формах – гомосериновой и гомосеринлактоновой;

Рис. 7. Расщепление полипептидной цепи бромцианом
2) большое число методов предложено для расщепления белка по карбонильной группе остатка триптофана. Одним из используемых для этой цели реагентов является N -бромсукцинимид;

3) реакция тиолдисульфидного обмена. В качестве реагентов используют восстановленный глутатион, 2-меркаптоэтанол, дитиотреитол.

5. Определение последовательности пептидных фрагментов. На этой стадии устанавливается аминокислотная последовательность в каждом из пептидных фрагментов, полученных на предыдущей стадии. Для этой цели обычно используют химический метод, разработанный Пером Эдманом. Расщепление по Эдману сводится к тому, что метится и отщепляется только N -концевой остаток пептида, а все остальные пептидные связи не затрагиваются. После идентификации отщепленного N -концевого остатка метка вводится в следующий, ставший теперь N -концевым, остаток, который точно так же отщепляется, проходя через ту же серию реакций. Так, отщепляя остаток за остатком, можно определить всю аминокислотную последовательность пептида, используя для этой цели всего одну пробу. В методе Эдмана вначале пептид взаимодействует с фенилизотиоционатом, который присоединяется к свободной α-аминогруппе N -концевого остатка. Обработка пептида холодной разбовленной кислотой приводит к отщеплению N -концевого остатка в виде фенилтиогидантоинового производного, которое можно идентифицировать хроматографическими методами. Остальная часть пептидной цени после удаления N -концевого остатка оказывается неповрежденной. Операция повторяется столько раз, сколько остатков содержит пептид. Таким способом можно легко определить аминокислотную последовательность пептидов, содержащих 10 - 20 аминокислотных остатков. Определение аминокислотной последовательности проводится для всех фрагментов, образовавшихся при расщеплении. После этого возникает следующая проблема – определить, в каком порядке располагались фрагменты в первоначальной полипептидной цепи.

Автоматическое определение аминокислотной последовательности . Крупным достижением в области структурных исследований белков явилось создание в 1967 г. П. Эдманом и Дж. Бэггом секвенатора – прибора, который с высокой эффективностью осуществляет последовательное автоматическое отщепление N -концевых аминокислотных остатков по методу Эдмана. В современных секвенаторах реализованы различные методы определения аминокислотной последовательности.

6. Расщепление исходной полипептидной цепи еще одним способом. Чтобы установить порядок расположения образовавшихся пептидных фрагментов, берут новую порцию препарата исходного полипептида и расщепляют его на более мелкие фрагменты каким-либо другим способом, при помощи которого расщепляются пептидные связи, устойчивые к действию предыдущего реагента. Каждый из полученных коротких пептидов подвергается последовательному расщеплению по методу Эдмана (так же, как на предыдущей стадии), и таким путем устанавливают их аминокислотную последовательность.

7. Установление первичной структуры полипептида с учетом перекрывающихся последовательностей фрагментов обоих расщеплений. Аминокислотные последовательности в пептидных фрагментах, полученных двумя способами, сравнивают, чтобы во втором наборе найти пептиды, в которых последовательности отдельных участков совпадали бы с последовательностями тех или иных участков пептидов первого набора. Пептиды из второго набора с перекрывающимися участками позволяют соединить в правильном порядке пептидные фрагменты, полученные в результате первого расщепления исходной полипептидной цепи.

Иногда второго расщепления полипептида на фрагменты оказывается недостаточно, для того чтобы найти перекрывающиеся участки для всех пептидов, полученных после первого расщепления. В этом случае применяется третий, а иногда и четвертый способ расщепления, чтобы получить набор пептидов, обеспечивающих полное перекрывание всех участков и установление полной последовательности аминокислот в исходной полипептидной цепи.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет» Кафедра химии и биотехнологии

Химия биологически активных соединений

Конспект лекций для студентов очной формы обучения

по специальности 070100 «Биотехнология»

Издательство

Пермского государственного технического университета

Составитель: канд. Биол. Наук л.В. Аникина

Рецензент

канд. хим. наук, доц. И.А.Толмачева

(Пермский государственный университет)

Химия биологически активных веществ /сост. Л.В. Аникина – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 109 с.

Представлен конспект лекций по программе курса «Химия биологически активных веществ».

Предназначено для студентов очной формы обучения по направлению 550800 «Химическая технология и биотехнология», специальности 070100 «Биотехнология».

© ГОУ ВПО

«Пермский государственный

технический университет», 2009

Введение…………………………………………………………………………..4

Лекция 1. Химические компоненты живого…………………………………….7

Лекция 2. Углеводы…………………………………………………………… .12

Лекция 3. Липиды………………………………………………………………..20

Лекция 4. Аминокислоты……………………………………………………..…35

Лекция 5. Белки……………………………………………………………….….43

Лекция 6. Свойства белков……………………………………………………...57

Лекция 7. Простые и сложные белки…………………………………………...61

Лекция 8. Нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды………………………….72

Лекция 9. Ферменты………………………………………………………….….85

Лекция 10. Классификация ферментов………………………………………... 94

Введение

При подготовке специалистов по биотехнологии важнейшими базовыми дисциплинами являются биохимия, органическая химия и химия биологически активных веществ. Эти дисциплины составляют фундаментальную основу биотехнологии, с развитием которой связывают решение таких важнейших социальных проблем современности, как обеспечение энергией, кормовыми и пищевыми ресурсами, охрана окружающей среды и здоровья человека.

Согласно требованиям Государственного Стандарта высшего профессионального образования к обязательному минимуму содержания основных образовательных программ по направлению 550800 «Химическая технология и биотехнология», специальности 070100 «Биотехнология» дисциплина «Химия биологически активных веществ» включает в себя следующие дидактические единицы: структура и пространственная организация белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, низкомолекулярных биорегуляторов и антибиотиков; понятие о ферментах, антителах, структурных белках; ферментативный катализ.

Цель преподавания дисциплины «Химия биологически активных веществ» заключается в формировании у студентов представлений о струк-туре и основах функционирования биологически активных веществ, о фер-ментативном катализе.

Лекции по дисциплине «Химия биологически активных веществ» базируется на знании студентами курсов «Общая химия», «Неорганическая химия», «Физическая химия», «Аналитическая химия» и «Химия координационных соединений». Положения данной дисциплины используются для дальнейшего изучения курсов «Биохимия», «Микробиология», «Биотехнология».

Предлагаемый конспект лекций раскрывает следующие темы, читаемые в курсе «Химия биологически активных веществ»:

Углеводы, классификация, химическое строение и биологическая роль, химические реакции, свойственные углеводам. Моносахариды, дисахариды, полисахариды.

Липиды. Классификация по химическому строению, биологические функции липидов и их производных – витаминов, гормонов, биорегуляторов.

Аминокислоты, общая формула, классификация и бологическая роль. Физико-химические свойства аминокислот. Протеиногенные аминокислоты, аминокислоты как предшественники биологически активных молекул – коферментов, желчных кислот, нейромедиаторов, гормонов, гистогормонов, алкалоидов, и некоторых антибиотиков.

Белки, элементный состав и функции белков. Первичная структура белка. Характеристика пептидной связи. Вторичная структура белка: α-спираль и β-складчатость. Надвторичная структура белка, доменный принцип эволюции белков. Третичная структура белка и связи, ее стабили-зирующие. Понятие о фибриллярных и глобулярных белках. Четвертичная структура белка.

Физико-химические и биологические свойства белков. Денатурация. Шапероны.

Простые белки: гистоны, протамины, проламины, глютеины, альбумины, глобулины, склеропротеиды, токсины.

Сложные белки: хромопротеиды, металлопротеиды, липопротеиды, гликопротеиды, протеогликаны, нуклеопротеиды.

Нуклеиновые кислоты, биологическая роль в клетке. Азотистые основания, нуклеозиды, нуклеотиды, полинуклеотиды ДНК и РНК. Виды РНК. Пространственная структура ДНК, уровни компактизации ДНК в хроматине.

Ферменты как биологические катализаторы, их отличие от катализаторов небелковой природы. Простые и сложные ферменты. Активный центр фермента. Механизм действия ферментов, снижение энергии активации, образование фермент-субстратного комплекса, теория деформации связей, кислотно-основной и ковалентный катализ. Изоформы ферментов. Полиферментные системы.

Регуляция активности ферментов на клеточном уровне: ограниченный протеолиз, агрегация молекул, химическая модификация, аллостерическое ингибирование. Типы ингибирования: обратимое и необратимое, конкурентное и неконкурентное. Активаторы и ингибиторы ферментов.

Номенклатура ферментов. Международная классификация ферментов.

Оксидоредуктазы: НАД-зависимые дегидрогеназы, флавинзависимые дегидрогеназы, хиноны, система цитохромов, оксидазы.

Трансферазы: фосфотрансферазы, ацилтрансферазы и коэнзим-А, аминотрансферазы, использующие пиридоксальфосфат, С 1 -трансферазы, содержащие в качестве коферментов активные формы фолиевой кислоты и цианокобаламина, гликозилтрансферазы.

Гидролазы: эстеразы, фосфатазы, гликозидазы, пептидазы, амидазы.

Лиазы: декарбоксилазы, использующие в качестве кофермента тиаминпирофосфат, альдолаза, гидратазы, дезаминазы, синтазы.

Изомеразы: перенос водорода, фосфатных и ацильных групп, перемещение двойных связей, стереоизомеразы.

Лигазы: сопряженность синтеза с распадом АТФ, карбоксилазы и роль карбоксибиотина, ацил-коэнзим А-синтетазы.

В конце конспекта лекций приведен список литературы, которой необходимо пользоваться для успешного освоения курса «Химия биологически активных веществ».

Введение

Любой живой организм представляет собой открытую физико-химическую систему, которая может активно существовать только в условиях достаточно интенсивного потока химических веществ, необходимых для развития и поддержания структуры и функции. Для гетеротрофных организмов (животных, грибов, бактерий, простейших, бесхлорофильных растений) химические соединения поставляют всю или большую часть энергии, необходимой для их жизнедеятельности. Кроме снабжения живых организмов строительным материалом и энергией, они выполняют разнообразнейшие функции носителей информации для одного организма, обеспечивают внутри- и межвидовую коммуникацию.

Таким образом, под биологической активностью химического соединения следует понимать его способность изменять функциональные возможности организма (invitro или invivo ) или сообщества организмов. Такое широкое определение биологической активности означает, что почти любое химическое соединение или композиция соединений обладает тем или иным видом биологической активности.

Даже весьма инертные в химическом отношении вещества могут обладать заметным биологическим действием при соответствующем способе введения в организм.

Таким образом, вероятность найти биологически активное соединение среди всех химических соединений близка к единице, однако нахождение химического соединения с заданным видом биологической активности представляет собой довольно сложную задачу.

Биологически активные вещества – химические вещества, необходимые для поддержания жизнедеятельности живых организмов, обладающие высокой физиологической активностью при небольших концентрациях по отношению к определенным группам живых организмов или их клеткам.

За единицу биологической активности химического вещества принимают минимальное количество этого вещества, способного подавлять развитие или задерживать рост определенного числа клеток, тканей стандартного штамма (биотесты) в единице питательной среды.

Биологическая активность – понятие относительное. Одно и тоже вещество может иметь различную биологическую активность по отношению к одному и тому же виду живого организма, ткани или клетки в зависимости от значения рН, температуры, наличия других БАВ. Стоит ли говорить, что если речь идет о разных биологических видах, то действие вещества может быть одинаковым, выраженным в разной степени, прямо противоположным или оказывать заметное действие на один организм и быть инертным ля другого.

Для каждого вида БАВ существуют свои методы определения биологической активности. Так, для ферментов, метод определения активности заключается в регистрации скорости расходования субстрата (S) или скорости образования продуктов реакции (Р).

Для каждого витамина существует свой метод определения активности (количества витамина в опытном образце (например, таблетках) в единицах МЕ).

Часто в медицинской и фармакологической практике используется такое понятие, как ЛД 50 – т.е. концентрация вещества при введении которой половина испытуемых животных погибает. Это мера токсичности БАВ.

Классификация

Самая простая классификация – Общая – делит все БАВ на два класса:

• эндогенные
• экзогенные

К эндогенным веществам относят

Вся жизнедеятельность организма стоит на трех китах – саморегуляции, самообновлении и самовоспроизведении. В процессе взаимодействия с меняющейся средой организм вступает с ней в сложные отношения и постоянно приспосабливается к изменяющимся условиям. Это и есть саморегуляция, немаловажная роль в обеспечении которой принадлежит биологически активным веществам.

Основные биологические понятия

Под саморегуляцией в биологии понимают способность организма поддерживать динамический гомеостаз.

Гомеостаз – это относительное постоянство состава и функций организма на всех уровнях организации – клеточном, органном, системном, организменном. И именно на последнем поддержание гомеостаза обеспечивается биологически активными веществами регуляторных систем. А в организме человека этим занимаются следующие системы - нервная, эндокринная и иммунная.

Биологически активные вещества, выделяемые организмом, это вещества, способные в малых дозах изменять скорость обменных процессов, регулировать метаболизм, синхронизировать работу всех систем организма, а также влиять на особей противоположного пола.

Многоуровневая регуляция – разнообразие агентов влияния

Биологически активными веществами могут считаться абсолютно все соединения и элементы, которые встречаются в организме человека. И хотя все они обладают специфической активностью, выполняя или влияя на каталитические (витамины и ферменты), энергетические (углеводы и липиды), пластические (белки, углеводы и липиды), регуляторные (гормоны и пептиды) функции организма. Все они делятся на экзогенные и эндогенные. Экзогенные биологически активные вещества поступают в организм извне и различными путями, а эндогенными считаются все элементы и вещества, что входят в состав организма. Остановим свое внимание на некоторых важных для жизнедеятельности нашего организма веществах, дадим краткую их характеристику.

Главные – гормоны

Биологически активные вещества гуморальной регуляции организма – гормоны, которые синтезируются железами внутренней и смешанной секреции. Главные их свойства заключаются в следующем:

1. Действуют на расстоянии от места образования.
2. Каждый гормон строго специфичен.
3. Быстро синтезируются и быстро инактивируются.
4. Эффект достигается при очень малых дозах.
5. Выполняют роль промежуточного звена в нервной регуляции.

Секреция биологически активных веществ (гормонов) обеспечивается эндокринной системой человека, в которую входят железы внутренней секреции (гипофиз, эпифиз, щитовидка, паращитовидные, вилочковая, надпочечные) и смешанной секреции (поджелудочная и половые железы). Каждая железа выделяет собственные гормоны, которые обладают всеми перечисленными свойствами, работают по принципам взаимодействия, иерархичности, обратной связи, взаимосвязи с внешней средой. Все они становятся биологически активными веществами крови человека, ведь только таким способом они доставляются к агентам взаимодействия.

Механизм воздействия

Биологически активные вещества желез включаются в биохимию жизненных процессов и воздействуют на специфические клетки или органы (мишени). Они могут быть белковой природы (соматотропин, инсулин, глюкагон), стероидными (половые и гормоны надпочечников), быть производными аминокислот (тироксин, трийодтиронин, норадреналин, адреналин). Биологически активные вещества желез внутренней и смешанной секреции обеспечивают контроль за этапами индивидуального эмбрионального и постэмбрионального развития. Их недостаток или избыток приводит к нарушениям различной степени тяжести. Например, недостаток биологически активного вещества железы внутренней секреции гипофиза (гормона роста) приводит к развитию карликовости, а его избыток в детском возрасте - к гигантизму.

Витамины

Существование этих низкомолекулярных органических биологически активных веществ открыл российский врач М.И. Лунин (1854-1937). Это вещества, не выполняющие пластических функций и не синтезируемые (или синтезируемые в очень ограниченном количестве) в организме. Именно поэтому основным источником для их получения является пища. Как и гормоны, витамины проявляют свое действие в малых дозах и обеспечивают протекание процессов метаболизма.

По своему химическому составу и воздействию на организм витамины очень разнообразны. В нашем организме только витамины группы В и К синтезируются бактериальной микрофлорой кишечника, а витамин D синтезируется клетками кожи под воздействием ультрафиолета. Все остальные мы получаем с пищей.

В зависимости от обеспеченности организма этими веществами, выделяют следующие патологические состояния: авитаминозы (полное отсутствие какого-либо витамина), гиповитаминозы (частичный дефицит) и гипервитаминозы (переизбыток витамина, чаще – А, D, С).

Микроэлементы

В состав нашего организма входит 81 элемент периодической таблицы из 92. Все они важны, но некоторые необходимы нам в микроскопических дозах. Эти микроэлементы (Fe, I, Cu, Cr, Mo, Zn, Co, V, Se, Mn, As, F, Si, Li, B и Br) долго оставались загадкой для ученых. Сегодня их роль (как усилителей мощности ферментной системы, катализаторов обменных процессов и строительных элементов биологически активных веществ организма) не вызывает сомнений. Дефицит микроэлемента в организме приводит к образованию ущербных ферментов и нарушению их функций. Например, дефицит цинка приводит к нарушениям в транспортировке углекислоты и к нарушению работы всей сосудистой системы, развитию гипертонии.

И примеров можно приводить множество, а в целом дефицит одного или нескольких микроэлементов приводит к задержкам развития и роста, нарушениям кроветворения и работы иммунной системы, разбалансировке регуляторных функций организма. И даже к преждевременному старению.

Органические и активные

Среди множества органических соединений, которые играют важнейшую роль в нашем организме, выделим следующие:

1. Аминокислоты, которых в организме синтезируется двенадцать из двадцати одной.
2. Углеводы. Особенно глюкоза, без которой мозг не может правильно работать.
3. Органические кислоты. Антиоксиданты – аскорбиновая и янтарная, антисептическая бензойная, улучшитель работы сердца – олеиновая.
4. Жирные кислоты. Всем известные Омега-3 и 5.
5. Фитонциды, которые содержатся в растительной пище и обладают способностями к уничтожению бактерий, микроорганизмов и грибков.
6. Флавоноиды (фенольные соединения) и алкалоиды (азотосодержащие вещества) природного происхождения.

Ферменты и нуклеиновые кислоты

Среди биологически активных веществ крови следует выделить еще две группы органических соединений – это ферментные комплексы и аденозинтрифосфорные нуклеиновые кислоты (АТФ).

АТФ является универсальной энергетической валютой организма. Все обменные процессы в клетках нашего тела протекают с участием этих молекул. Кроме того, активный транспорт веществ через клеточные мембраны невозможен без этой энергетической составляющей.

Ферменты (как биологические катализаторы всех процессов жизнедеятельности) также являются биологически активными и необходимыми. Достаточно сказать, что гемоглобин эритроцитов не может обойтись без специфических ферментных комплексов и аденозинтрифосфорной нуклеиновой кислоты как при фиксации кислорода, так и при его отдаче.

Волшебные феромоны

Одними из самых загадочных биологически активных образований являются афродизиаки, главная цель которых - установление коммуникации и сексуального влечения. У человека эти вещества выделяются в области носа и губных складок, груди, в анальной и генитальной областях, подмышечных впадинах. Они работают в минимальных количествах и при этом не осознаются на сознательном уровне. Причина тому – они попадают в вомероназальный орган (расположен в носовой полости), у которого прямая нервная связь с глубинными структурами головного мозга (гипоталамусом и таламусом). Кроме привлечения партнера, последние исследования доказывают, что именно эти летучие образования ответственны за плодовитость, инстинкты заботы о потомстве, зрелости и прочности брачных связей, агрессивности или покорности. Мужской феромон андростерон и женский копулин быстро разрушаются в воздухе и работают только при близких контактах. Именно поэтому не стоит особо доверять косметологическим производителям, которые активно эксплуатируют тему афродизиаков в своей продукции.

Несколько слов о БАДах

Сегодня не найти человека, который не слышал бы о биологически активных добавках (БАД). Фактически это комплексы биологически активных веществ различного состава, не являющиеся лекарственными средствами. Биологически активные добавки могут быть фармацевтическим продуктом – диетическими добавками, витаминными комплексами. Или же продуктами питания, дополнительно обогащенными активными компонентами, не содержащимися в данном продукте.

Мировой рынок биологически активных добавок сегодня огромен, но и россияне не отстают. Некоторые опросы показали, что этот продукт принимает каждый четвертый житель России. При этом 60 % потребителей используют его как дополнение к пище, 16 % - как источники витаминов и микроэлементов, а 5 % уверены, что биологически активные добавки являются лекарственными средствами. Кроме того, зарегистрированы и случаи, когда под видом биологически активных добавок как спортивного питания и средств для снижения веса продавались добавки, в которых были обнаружены психотропные вещества и наркотические средства.

Можно быть сторонником или противником приема данного продукта. Мировое мнение изобилует различными данными по этому вопросу. В любом случае здоровый образ жизни и разнообразное сбалансированное питание не повредит вашему организму, избавит от сомнений в отношении приема тех или иных пищевых добавок.