Физико-химическая организация живых систем

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Коничев А.С., Севастьянова Г.А.. Биохимия и молекулярная биология. Словарь терминов:- М.: Дрофа. 2008.
Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология: - М. 2003.
Рис Э , Стенберг М. Введение в молекулярную биологию. От клеток к атомам: - М.: Мир, 2002.
Фаллер Д.Б., Шильде Д. Молекулярная биология клетки: - М. 2006.
Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию: - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.
Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия: Пер. с англ. -М.: Гэотар Медицина, 2000. - 119с.
Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия: - М. 2004.

СВОЙСТВА ЖИВОГО

Структурная иерархия
в молекулярной организации клеток

ЖИЗНЬ - СОЧЕТАНИЕ ТРЕХ ВЗАИМОСОПРЯЖЕННЫХ ПОТОКОВ
Поток материи
Поток энергии
Поток информации

ВЕЩЕСТВА
МЕТАБОЛИТЫ
ЭНЕРГИЯ
ОБРАЗОВАНИЕ КОНЕЧНЫХ ПРОДУКТОВ
ВЫВЕДЕНИЕ ИЗ ОРГАНИЗМА/КЛЕТКИ
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ ОРГАНИЗМА/КЛЕТКИ
СИНТЕЗ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ КЛЕТКИ
2
7
3
1
5
6
8
4
1 - пищеварение;
2 - катаболизм;
3 - анаболизм;
4 - распад структурно-функциональных компонентов клеток;
5 - экзергонические реакции;
6,7 - эндергонические реакции;
8 - выведение из организма.

Совокупность всех биохимических реакций, направленных на поддержание жизненных функций организма (рост, жизнедеятельность, воспроизведение и т.п.) - обмен веществ и энергии или метаболизм, различные продукты таких реакций – метаболитами.
Последовательности биохимических реакций, из которых состоит обмен веществ - метаболические пути.
Обмен веществ в целом складывается из двух противоположных типов реакций – катаболических (катаболизм) и анаболических (анаболизм), протекающих в клетках одновременно.
Катаболизм (диссимиляция) – это ферментативное расщепление крупных молекул (белков, жиров и др.), осуществляемое преимущественно посредством реакцией гидролиза и окисления.
Анаболизм (ассимиляция) – это ферментативный синтез сложных органических веществ из более простых предшественников. Анаболические реакции происходят за счет энергии, освобождающейся при катаболическом расщеплении молекул белков, жиров, углеводов и других веществ.

ПОТОК МАТЕРИИ
распад и синтез молекул (функциональных и структурных единиц клеток)

МАКРОМОЛЕКУЛЫ
БЕЛКИ НУКЛЕИНОВЫЕ ПОЛИСАХАРИДЫ
КИСЛОТЫ
СОHNS
Аминокислоты
пептидная
−СО − NH−
ЛИПИДЫ
СОHNР
Нуклеотиды
фосфодиэфирная
Элементы:
Мономер:
Связь:
СОHNS
Моносахара
гликозидная
СОHPN
Жирные кислоты Cпирты
R-COOH
R-OН
эфирная
−СО −OН−

В процессе КАТАБОЛИЗМА происходит постепенный и многоступенчатый распад сложных органических соединений, который можно разделить на три стадии.
Первая стадия (гидролитическая) - распад крупные молекулы органических соединений расщепляются на свои составные части: белки – на аминокислоты, липиды – на глицерин, жирные кислоты и другие компоненты, полисахариды – на моносахариды, нуклеиновые кислоты – на нуклеотиды.
Вторая стадия - продукты, образовавшиеся на первой стадии, путем анаэробного расщкпления и окисления превращаются в небольшое число более простых молекул. Глицерин, жирные кислоты, моносахариды и многие аминокислоты расщепляются до ацетил – КоА. Остальные аминокислоты при расщеплении образуют следующие соединения: α–кетоглутаровую кислоту (α–кетоглуторат), фумаровую кислоту (фумарат), щавелевоуксусную кислоту (оксалоацетат), янтарную кислоту (сукцинат).
На третьей стадии продукты, образовавшиеся на второй стадии, аэробно окисляются через цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты), сопряженный с дыхательной цепью ферментов (электронно – транспортная цепь) до CO2 и H2O.

АНАБОЛИЗМ также протекает в три стадии.
На первой стадии анаболизма образуются молекулы – предшественники.
На второй стадии эти молекулы превращаются в структурные компоненты (составные части, «строительные блоки») крупных молекул.
На третьей стадии анаболизма из соответствующих структурных компонентов синтезируются крупные молекулы (белки, липиды, полисахариды и др.).
Например, синтез белков начинается с образования α – кетокислот и других предшественников (первая стадия). На второй стадии образуются α – аминокислоты, из которых на третьей стадии анаболизма синтезируются белки.

ПОТОК ЭНЕРГИИ
синтез молекул АТФ в процессе катаболизма
и их расходывание

Одновременно с превращением веществ в реакциях катаболизма и анаболизма происходит выделение и потребление энергии. Освобождение химической энергии на разных стадиях катаболизма происходит в неодинаковой степени.
На первой стадии катаболизма освобождается менее 1 % химической энергии,
на второй стадии – около 1/3,
на третьей – около 2/3 общего количества химической энергии, заключенной в органических соединениях.
Около 40 – 50 % энергии рассеивается в виде тепла. Остальные 50 – 60 % запасаются в организме в форме энергии, главным образом, фосфатных связей АТФ; эта энергия в дальнейшем будет использована для реакций анаболизма и других нужд организма.

Каждое органическое соединение, поступающее в организм извне или входящее в состав живой материи, обладает определённым запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию системы называют свободной энергией (G).
Направление химической реакции определяется значением ΔG (изменение свободной энергии).
Если ΔG отрицательно, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими. Если при этом абсолютное значение ΔG велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую.
Если ΔG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими.

В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счёт энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряжёнными.
Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата (АТФ), играющего роль сопрягающего фактора.
Например, фосфорилирование глюкозы.
Реакция фосфорилирования глюкозы свободным фосфатом с образованием глюкозо-6-фосфата является эндергонической:
Глюкоза + Н3РО4 → Глюкозо-6-фосфат + Н2О
(ΔG = +13,8 кДж/моль).
Для протекания такой реакции в сторону образования глюкозо-6-фосфата необходимо её сопряжение с другой реакцией, величина свободной энергии которой больше, чем требуется для фосфорилирования глюкозы.
(2) АТФ → АДФ + Н3РО4
(ΔG = -30,5 кДж/моль).
При сопряжении процессов (1) и (2) в реакции фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо, и она практически необратима:
(3) Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ (ΔG = -16,7 кДж/моль).

ПОТОК ИНФОРМАЦИИ
хранение информации (генетической)
передача информации (генетической)
реализация информации (генетической), в том числе за счет синтеза ферментов (белков, регулирующих метаболизм клеток, а следовательно функционирование клеток)
экстраклеточная и внутриклеточная сигнализация, регулярующая функционирование клеток

ТЕМЫ СЕМИНАРОВ

Семинар 1
Поток веществ. Пластический обмен углеводов (катаболизм и анаболизм)

Семинар 2
Поток веществ. Пластический обмен липидов (катаболизм и анаболизм)

Семинар 3
Энергетика клеток геторотрофных эукариотических организмов

Семинар 4
Хранение генетической информации. Молекулярные основы наследственности

Семинар 5
Реализация генетической информации. Синтез белков

Семинар 6
Ферменты – регуляторы клеточного метаболизма. Характеристика. Свойства. Классификация. Механизм действия

Семинар 7
Экстраклеточная регуляция метаболизма. Первичные мессенджеры (гормоны. цитокины, нейротрансмиттеры, феромоны, пурины, факторы роста). Номенклатура и классификация. Локализация синтеза. Клетки – мишени.

Семинар 8
Внутриклеточная сигнализация. Характеристика основных функциональных компонентов системы клеточной сигнализации. Вторичные мессенджеры. Механизмы действия

Этапы подготовки к семинару
1. Информационной поиск
выбор темы;
выбор типа и источников данных;
выделение основных источники библиографической информации (первичные - статьи, диссертации, монографии; вторичные - библиография, реферативные журналы, предметные указатели и т. д; третичные - обзоры, справочные книги и т. д.);
сбор материала;
отбор наиболее полезной информации;
выбор метода обработки информации (классификация, кластеризация, регрессионный анализ и т.д.);
анализ результатов информационного поиска

Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»
Электронный каталог библиотеки МГТУ с возможностью ознакомиться с печатным вариантом издания в читальных залах библиотеки – http://ito.edu.ru/
ЭБС «Издательство Лань» (Договор № 19/85 от 12.09.2018 г. на оказание услуг по предоставлению доступа к электронным экземплярам произведений научного, учебного характера базы данных ЭБС «Лань». Исполнитель ООО «ЭБС Лань») – https://e.lanbook.com/
ЭБС «Университетская библиотека онлайн» (Договор № 530-10/18 от 01.11.2018 г. на оказание услуг по предоставлению доступа к базовой коллекции электронно-библиотечной системы «Университетская библиотека онлайн». Исполнитель ООО «Современные цифровые технологии») – http://biblioclub.ru/
ЭБС «IPRbooks» (Лицензионный договор № 4979/19 от 01.04.2019 г. на оказание услуг по предоставлению доступа к электронно-библиотечной системе «IPRbooks». Исполнитель ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа») – http://iprbookshop.ru/
ЭБС «Консультант студента. Электронная библиотека технического вуза» (Договор № 19/37 от 11.03.2019 г. на оказание услуг по предоставлению доступа к базе данных «Электронная библиотека технического ВУЗа» («ЭБС Консультант студента»). Исполнитель ООО «Политехресурс») – http://www.studentlibrary.ru/

Профессиональные базы данных
БД «EBSCO» (Сублицензионный договор № 45.49/19.85 от 09.01.2019 г. Срок действия документа – с 01.01.2019 г. по 31.12.2019 г.) – http://search.ebscohost.com/
Информационные справочные системы
ИСС «Консультант плюс» (Договор об информационной поддержке образовательного процесса КонсультантПлюс №1404-РДД от 01.01.2019 г. Срок действия документа – 2019 г.) – http://www.consultant.ru/
«SLOVARI.RU. ПОИСК ПО СЛОВАРЯМ» (открытый доступ) – http://www.slovari.ru/
«СЛОВАРИ И ЭНЦИКЛОПЕДИИ НА АКАДЕМИКЕ» (открытый доступ) – http://dic.academic.ru/

2. План-семинара
систематизация собранной информации;
схематичное представление информации, связей, знаний и т.д;
создание плана выступления (классификация информации по типу; систематизация информации по категориям, иерархии).

3. Составление доклада
Требования:
к структуре доклада - должн включать: краткое введение, обосновывающее актуальность проблемы; основной текст; заключение с краткими выводами по исследуемой проблеме;
содержанию доклада — общие положения и результаты должны быть подкреплены и пояснены, а также сравнены с конкретными примерами; не следует пересказывать отдельные главы учебника или учебного пособия, необходимо изложить собственные соображения по существу рассматриваемых вопросов, внести свои предложения.