Біохімія

Вступ до біохімії

Біохімія вивчає хімічні процеси, що відбуваються всередині та в зв’язку з живими організмами. Вона знаходиться на перетині біології та хімії, надаючи молекулярні пояснення функцій клітин, включаючи вироблення енергії, реплікацію ДНК, синтез білків, сигнальні процеси та захист від хвороб. Її інструментарій включає спектроскопію, рентгенівську кристалографію, ЯМР-спектроскопію, мас-спектрометрію та обчислювальне моделювання.

✦ Чотири Основні Класи Макрозмолекул

Білки: полімери амінокислот; структурні, ферментні, сигнальні, транспортні, імунні функції.

Вуглеводи: полімери цукрів; запаси енергії (глікоген, крохмаль), структурні (целюлоза, хітин), сигнальні.

Жири: жирні кислоти, гліцерин, стероли; структура мембран (фосфоліпідний бішар), запаси енергії, гормони.

Нуклеїнові Кислоти: ДНК (зберігання генетичної інформації), РНК (транскрипція, трансляція, регуляція).

Білки: Структура та Функція

Білки є лінійними полімерами з 20 стандартних амінокислот, зв’язані пептидними зв’язками (—CO—NH—). Послідовність (первинна структура) кодується в ДНК. Чотири рівні структури:

① Первинна Структура

Послідовність амінокислот. Визначається за генетичною послідовністю. Унікальна послідовність визначає всі вищі рівні структур (догма Анфінсена: послідовність → структура → функція).

② Вторинна Структура

Локальне регулярне згортання: альфа-спіраль (3,6 залишків на оборот, стабілізована зв’язками між атомами водню з основи) та бета-лист (зв’язки між воднем між подовженими нитками). Прогнозується за допомогою діаграми Рамачандрана.

③ Третинна Структура

Повне 3D згортання окремої поліпептидної ланцюга, стабілізоване гідрофобними взаємодіями (домінуюче), дисульфідними містками, зв’язками між воднем та іонними взаємодіями. Визначається рентгенівським дифракційним аналізом, ЯМР або крио-ЕМ.

④ Четвертинна Структура

Збірка кількох поліпептидних ланцюгів. Приклад: гемоглобін (4 суб’юніти: 2α + 2β), що забезпечує кооперативне зв’язування киснем. Не всі білки мають четвертинну структуру.

Деформація білків лежить в основі руйнівних захворювань: хвороба Альцгеймера (амілоїд-бета плями, скручені тангенти), хвороба Паркінсона (агрегати альфа-синуклеїну), спонтанні захворювання (деформований PrP поширює власну деформацію). AlphaFold2 (DeepMind, 2020) революціонізував структурну біологію шляхом прогнозування структури білка з послідовності з майже експериментальною точністю за допомогою глибокого навчання — вирішив 50-річну «проблему складання білків».

Ензими та кінетика

Ензими є біологічними каталізаторами — переважно протеїнами, деякі РНК (рибозими) — які прискорюють реакції, знижуючи енергетию активації без споживання. Ключові характеристики: висока специфічність (модель «защіп-замок» або індуковане прилягання), прискорення швидкості реакції (10⁶–10¹⁷ разів), регулювання інгібіторами, активаторами та посттрансляційними модифікаціями.

Рівняння Майкіліса-Ментена описує кінетику ферментів:

При [S] ≪ K_m: швидкість пропорційна [S] (першого порядку). При [S] ≫ K_m: швидкість наближається до V_max (нульового порядку, фермент насичений). Подвійний обернений графік Lineweaver-Burk лінеаризує рівняння для визначення K_m та V_max експериментальним шляхом. Типи інгібування ферментів:

v = V_max · [S] / (K_m + [S]) v = reaction rate V_max = maximum rate (at enzyme saturation) [S] = substrate concentration K_m = Michaelis constant = [S] at v = V_max/2 (reflects enzyme-substrate affinity)

Вуглеводи та ліпіди

Вуглеводи: моносахариди (глюкоза C₆H₁₂O₆, фруктоза, галактоза) → дисахариди (сукроз = глюкоза + фруктоза; лактоза = глюкоза + галактоза) → полісахариди (кукурудзяний крохмаль та глікоген для зберігання енергії; целюлоза для структурної підтримки клітинних стінок рослин — неперетравнувана більшістю тварин через β-1,4-глікозидний зв’язок; хітин у зовнішньому покриві членистоногих та клітинних стін грибів).

Ліпіди: фосфоліпідна білатеральна мембрана є універсальною структурою мембран — амфіпатичні фосфоліпіди самоорганізовуються в білатеральні шари у воді (гідрофільні голови стикаються з водою; гідрофобні хвости стикаються всередину). Холестерин модулює плавність. Жирні кислоти з усіма однозв’язними C-C мають бути насичені (тверді при кімнатній температурі: вершкове масло, жир свинячий); ненасичені жири містять подвійні зв'язки C=C (рідкі: оливкова олія). Трансжири (частково гідрогенізовані олії) кардіотоксичні — заборонені у багатьох країнах. Стероїди (холестерин, тестостерон, кортизол, жовчні кислоти) є ліпідами, що походять з чотирициклової структури та виконують функції гормонів і емульгаторів.

Нуклеїнові кислоти

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) зберігає генетичну інформацію у подвійній спіралі (Watson та Crick, 1953; структура на основі рентгенівських даних Franklin та Wilkins). Доповнююча парамування: A=T (2 водневі зв’язки), G≡C (3 водневі зв’язки). Центральна догма молекулярної біології:

Геном людини містить приблизно 3,2 мільярда нуклеотидів, які кодують близько 20 000 генів, що кодують білки (лише близько 2% від загальної ДНК); решта включає регуляторні області, транспозони, повторювані послідовності та некодуючі РНК. CRISPR-Cas9 (2012, Charpentier та Doudna — Нобелівська премія 2020) дозволяє точне геномне редагування шляхом спрямування нуклеїзи на конкретну послідовність ДНК.

DNA → (transcription) → mRNA → (translation) → Protein Additional paths: reverse transcription (RNA → DNA in retroviruses) RNA replication (RNA viruses), direct RNA regulatory roles (non-coding RNA)

Метаболізм: Енергія з Глюкози

Клітини отримують енергію з глюкози через скоординовані метаболічні шляхи:

АТФ-синтаза («молекулярний турбін») використовує протонний градієнт у внутрішній мітохондріальній мембрані (хіміосмос — гіпотеза Мітчелла, Нобелівська премія 1978 року) для обертання та синтезу АТФ з АДФ + Рі. Вона генерує приблизно 100 молекул АТФ за секунду на молекулу глюкози; людський організм споживає власну вагу в АТФ щодня. Ферментація виробляє АТФ анаеробно: 2 АТФ на молекулу глюкози, що робить її у 15 раз менш ефективною, ніж аеробне дихання.

Glycolysis (cytoplasm): Glucose (6C) → 2 Pyruvate (3C) Net yield: 2 ATP + 2 NADH Pyruvate decarboxylation → Acetyl-CoA + CO₂ Krebs (Citric Acid) Cycle (mitochondrial matrix): 2 Acetyl-CoA → 4 CO₂ + 6 NADH + 2 FADH₂ + 2 ATP Oxidative Phosphorylation (inner mitochondrial membrane): 10 NADH + 2 FADH₂ → ~34 ATP (via electron transport chain + ATP synthase) Total: 1 glucose → ~38 ATP (theoretical) / ~30-32 ATP (realistic)

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Enzyme Kinetics Simulator: Michaelis-Menten in 3D і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.