Биохимия пособие Коновалова 2012

Министерство Здравоохранения Республики Беларусь УО «Витебский государственный медицинский университет»

Н.Ю. Коневалова, И.Н. Гребенников, С.П. Козловская, В.А. Куликов, Л.Г. Орлова, С.С. Осочук,

Г.Н. Фомченко, В.В. Яцкевич

* БИОХИМИЯ

пособие для студентов высших учебных заведений

под редакцией проф. Н.Ю. Коневаловой

(3-е издание)

Витебск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

с.

I.Курс лекций

22.1 Обмен белков и аминокислот. Азотистый баланс. Переваривание белков. _JJSL Всасывание аминокислот. Л.Г. Орлова

4

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ В БИОХИМИЮ. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

Содержание предмета биохимии

1.Состав, строение и химическая характеристика веществ живо­ го организма.

2.Биоэнергетика.

3.Обмен веществ: катаболизм —анаболизм.

4.Регуляция метаболизма.

5.Молекулярные основы наследственности и морфогенеза.

6.Молекулярные механизмы специфических физиологических процессов.

7.Особенности биохимических процессов в органах и тканях.

Связь биохимии с другими дисциплинами

Фармакология, клинические дисциплины, фарм. химия, токсикологическая, химия Молекулярная

t t t

биология

физиология

Биоорганиче-

Морфология

ская химия

Физ.-коллоидная химия, биофизическая химия

Объекты биохимических исследований

1.Организмы.

2.Изолированные органы.

3.Срезы органов.

4.Гомогенаты органов.

5.Экстракты из органов.

6.Клетки.

7.Дрожжи, бактерии.

8.Субклеточные компоненты: а) мембраны, б) органоиды, в) цитозоль.

9.Ферменты.

10.Биологические жидкости.

5

Методы биохимических исследований

1.Аналитический метод.

2.Изотопный метод.

—3. Колориметрия.

—4. Спектрофотометрия. —5. Хроматография. —6. Электрофорез.

7.Центрифугирование:

а) простое, б) ультра,

в) в градиенте концентрации. 8. Анализ ферментной активности.

Биохимия и медицина

Зачем биохимия нужна врачу?

Отец клинической биохимии —Гиппократ.

История эта началась лет за 400 до нашей эры. Легендарный Гиппократ заметил: если больной страдает неукротимой жаждой, слаб и худ, несмотря на волчий аппетит, если он частенько теряет сознание, особенно наевшись винограда, столь распространенного на земле Эллады, то его моча сладкая на вкус. Благодаря философскому восприятию жизни, свойственному древним грекам, Гиппократ счел такой метод диагностики сахарного диабета вполне естественным и даже передал его своим ученикам. Так отец научной медицины дал жизнь клинической биохимии.

Ломоносов о роли химии.

«Широко простирает химия руки свои в дела человеческие» (био­ химия - в тела), а потому писал Ломоносов еще в XVHI веке: «Медик без совершенных познаний в химии совершенен быть не может».

Задача биохимии: полное понимание на молекулярном уровне природы всех химических процессов, связанных с жизнедеятельно­ стью клетки.

Её решить можно:

Выделив из клетки соединение и определив его структуру (ста­ тическая биохимия) - установить функцию (динамическая биохи­ мия).

Факторы, приводящие к развитию болезней

1.Физические - травмы, действие температуры.

2.Химические и лекарственные.

6

3.Биологические (грибы, вирусы, паразиты, бактерии).

4.Кислородное голодание (потеря крови, заболевания органов

дыхания).

5.Генетические.

6.Иммунологические.

7.Нарушение пищевого баланса.

Все эти факторы влияют на биохимические процессы в клетке.

Биохимия позволяет:

1.Выявить причину болезни.

2.Предложить методику обследования для ранней диагностики (фенилкетонурия).

3.Предложить метод лечения.

4.Следить за ходом болезни.

5.Контролировать эффективность лечения.

6.Изучить фармакодинамику лекарств с помощью биохимиче­ ского мониторинга организма.

7.Изучить фармакокинетику лекарств с помощью биологических методов определения действующих начал и метаболитов лекарств во времени.

Впоследнее время среди населения все большее значение приоб­ ретает самолечение, рост которого обеспечен и в будущем. Аптека, чаще всего, является первым контактным пунктом для пациента с не­ большими расстройствами здоровья, а провизор —единственным кон­ тактным лицом. Тем самым растет ответственность провизора. Он не может заменить собой врача, однако а силу своего образования и опы­ та работы с лекарствами, он - незаменимый консультант пациента. В колоссальной массе препаратов он должен выбрать нужные лекарства,

ав случае необходимости, выслушав определенные жалобы, провизор рекомендует безотлагательно обратиться к врачу. Все эти функции требуют знания биохимии.

Дождавшись симптомов, распознаваемых традиционными вра­ чебными методами, мы зачастую застаем самый разгар заболевания. Знание же химических основ жизни позволяет обнаружить болезнь в самом начале.

Врожденное заболевание фенилкетонурия приводит к умствен­ ной отсталости маленьких детей, а иногда и к смерти. Чтобы вовремя распознать болезнь, достаточно капнуть на пеленку, подмоченную но­ ворожденным, раствор хлорида железа. И если цвет пятна изменится, ребенка придется кормить специальной пищей, в которой нет амино­ кислоты фенилаланина - ее неправильный обмен приводит к самоот-

7

равлению младенца. Пшца эта гастрономических наслаждений не дос­ тавляет, но придется потерпеть несколько лет, пока нормализуется об­ мен.

Принципы биохимического анализа просты: взять пробу, удалить из нее то, что мешает, перевести вещество в легко определяемую фор­ му (например, окрашенную), измерить, пересчитать... А вот как выгля­ дит в клинической лаборатории анализ, например, на сахар.

У пациента берут кровь, в данном случае - из пальца, хотя для большинства других биохимических анализов этого не достаточно, приходится колоть вены. К пробе крови добавляют трихлоруксусную кислоту, чтобы удалить белок, мешающий анализу. Хлопья белка оса­ ждают центрифугированием. К точно отмеренному объему надосадочной жидкости добавляют цветовой реагент —ортотолуидин в концен­ трированной уксусной кислоте. Пробу кипятят, и из глюкозы образу­ ется продукт зеленого цвета. Степень окраски измеряют на фотоэлек­ троколориметре и по ней определяют, сколько было в растворе глюко­ зы. Для полноты картины добавим, что лаборант работает во вредных условиях труда, т.к. уксусная кислота вызывает аллергию, а ортото­ луидин обладает канцерогенными свойствами.

Есть более простой метод, но и более дорогой, основанный на использовании ферментов как аналитических реагентов. При окис­ лении глюкозы ферментом глюкозооксидазой до глюконовой кислоты попутно образуется перекись водорода, концентрацию которой изме­ рить гораздо проще, чем самой глюкозы. Для этого надо добавить еще одну систему реагентов: фермент пероксидаза —ортотолидин (не пу­ тать с ортотолуидином). В этой системе ортотолидин окисляется, ме­ няет желтую окраску на синюю. Интенсивность окраски соответствует концентрации перекиси водорода и, следовательно, глюкозы. Метод кажется сложным, а процедура анализа предельно проста: к пробе кро­ ви приливают раствор, содержащий все перечисленные реагенты, ждут несколько минут и измеряют интенсивность окраски. Белки крови ферменту не мешают, осаждать их не надо.

В последнее время активно разрабатываются методы «сухой хи­ мии». Реакция проходит на пластиночке, куда впрессован твердый реа­ гент. Пластинка одноразовая —померил и выбросил, ничего мыть не надо. Диабетику, особенно в условиях платной медицины, в конечном счете, выгоднее делать за несколько минут анализы дома самому, чем обращаться каждый раз в клинику. Тем более что больной со стажем прекрасно знает врачебные рекомендации, которые последуют после того или иного результата исследования. Итак —дело за аппаратурой. Развитию «сухой химии» помогли полеты в космос.

Традиционные земные методы Клинической биохимии в космосе не годятся. А диагностика там нужна. В 1985 году из-за тяжелой бо-

8

лезни космонавта Владимира Васютина пришлось экстренно возвра­ щать на Землю экипаж из трех человек. В 1987 году по решению вра­ чей до срока вернулся с орбиты Александр Лавейкин, отработавший несколько месяцев на космической станции. Если бы на борту были возможности для биохимических исследований, многих неожиданно­ стей удалось бы избежать.

Первый «сухохимический» анализатор появился на борту стан­ ции «Салют-7» вместе с космонавтом Александром Александровым. В Институте медико-биологических проблем (ИМБП) ученые имитиро­ вали действие на людей длительной невесомости и обнаружили непо­ ладки в работе желудка и кишечника. Они легко устранялись измене­ нием диеты, а диагностировать их можно было по форме сахарной кривой. Дело оставалось за малым —провести такое исследование на борту космической станции.

Прибор удалось получить благодаря «Интеркосмосу». Француз­ ские партнеры предложили портативный глюкометр величиной с кар­ манный радиоприемник. Он питался от батарейки «Крона» и опреде­ лял за минуту концентрацию глюкозы в капельке крови, выдавленной на специальную тест-полоску. Ее реагентная зона содержала все ком­ поненты, необходимые для ферментативного анализа. Сверху реагент­ ная зона была прикрыта прозрачной полупроницаемой мембраной, пропускавшей плазму, но задерживающей клетки крови.

Одна глюкоза - это еще не диагностика. К середине 80-х годов появились «сухо-химические» анализаторы, определяющие в крови до десятка параметров, но манипуляции с ними были еще слишком слож­ ны для невесомости. А' события торопили. Полеты удлинялись, и опас­ ность заболеть на орбите стала реальной.

То, что нужно для космической лаборатории, нашлось на выста­ вочном стенде фирмы «Boehringer Mannheim». Фирма сейчас активно использует в рекламе полет ее «Рефлотрона» в космос. Он может оп­ ределять 15 биохимических показателей, причем крови надо совсем чуть-чуть, и никаких промежуточных операций. Пробу наносят на пла­ стмассовую сеточку тест-полоски, жидкая часть ее диффундирует по проводящей салфетке в реагентную зону, а клетки остаются на поверх­ ности. Если реакция идет в несколько стадий, то зона имеет несколько слоев. Поднимаясь снизу вверх, жидкость последовательно реагирует с каждым из них, а фотометрируется верхний слой. Прибору даже не на­ до указывать, что определять. На магнитной ленточке, приклеенной к полоске, записана вся необходимая информация: время инкубации, на­ звание анализа, длина волны света, коэффициент пересчета. Прибор прочитает инструкцию и пунктуально выполнит ее.

9

Краткий исторический обзор биохимических исследований в диагностике и лечении заболеваний

Современная биохимия — наука, изучающая процессы обмена веществ как системы сопряженных ферментативных реакций, сформи­ ровалась на рубеже XIX и XX столетий.

В профилактике и лечении болезней человека важное значение приобретают методы ранней биохимической диагностики. Наиболее доступными биологическими объектами для анализа являются кровь и моча, количественный и качественный анализ которых издавна являет­ ся важным элементом врачебного диагноза. Визуальное исследование мочи еще в античной медицине считалось важным диагностическим приемом. Эмпирические знания о связи изменений цвета мочи, про­ зрачности, наличия осадков, мути, даже её вкуса с различными заболе­ ваниями привлекали многих химиков, большинство которых по обра­ зованию и характеру деятельности являлись врачами, использовавши­ ми химические методы.

В XVII в. были получены первые сведения о химических особен­ ностях мочи при некоторых заболеваниях. Так, в 1694 г. Фредерик Деккер (1648-1720), врач из Лейдена, впервые показал, что в моче при некоторых заболеваниях может быть обнаружен белок. Он предложил химические приемы, обнаруживающие белок: добавление к моче перед нагреванием небольших количеств уксусной кислоты. Однако впервые протеинурию (альбуминурию) как патологический признак детально описал в 1764 г. Доменико Котуньо (1736-1822), фактически обнару­ жив ее как последствие острого нефрита Первые достоверные данные о химическом составе мочи получены косвенным путем —при химиче­ ском изучении почечных и мочевьгх камней —излюбленного объекта наравне с желчными камнями аналитических исследований химиков во второй половине XVIII-начале XIX веков. В 1778 г. Карл Вильгельм Шелле (1742-1786) открыл мочевую кислоту, Йенсон Якоб Берцелиус (1779-1848) первый описал химический состав нормальной мочи.

Химические исследования крови отличались от исследований мочи. Кровь была объектом химических экспериментов алхимиков и ятрохимиков, которые подвергали ее сухой перегонке. Зола и «кровя­ ной уголь» использовались как реактивы в ряде алхимических манипу­ ляций, а также в качестве лекарств или их компонентов. В конце XVIII в. были получены первые данные о белках крови и обращено внимание на процесс ее свертывания и возможность его объяснения химически­ ми категориями.

В работах ученых второй половины XVIII - начала XIX веков впервые появилась сознательная ориентация на практические терапев­ тические и диагностические результаты. Общий интерес к химическим

10