Metabolicheskaia_biokhimiia

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

И.А. Ильючик В.Н. Никандров

МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ

БИОХИМИЯ

специальность «1 31 01 02 Биохимия»

Пояснительная записка Теоретический раздел Практикум Вопросы к экзамену

Учебная программа дисциплины

Пинск

ПолесГУ

2022

1

Рецензенты:

Голубович В.П., зав. лабораторией прикладной биохимии ГНУ ’’Институт биоорганической химии НАН Беларуси‘‘, доктор биологических наук, профессор;

Баран В.П., зав. Кафедрой химии УО ’’Витебская государственная академия ветеринарной медицины‘‘, кандидат биологических наук, доцент.

2

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Учебно-методический комплекс по дисциплине ’’Метаболическая биохимия‘‘ представляет собой целостную совокупность разновидностей учебных материалов, необходимых для проведения всех видов занятий по данной дисциплине, являющейся одной из фундаментальных в подготовке студентов направления специальности 1 31 01 02 ’’Биохимия‘‘.

Целью создания учебно-методического комплекса является систематизация материала, необходимого для реализации требований образовательных программ и образовательных стандартов высшего образования.

В нем обозначены основные вопросы по изучаемому курсу, указана литература, необходимая для углубления и расширения объема знаний, полученных на лекциях и почерпнутых из данного ЭУМК.

ЭУМК состоит из следующих разделов: пояснительной записки, теоретического и практического разделов, блока контроля знаний, вспомогательного раздела, в которых отражен весь объём материала, необходимого для квалифицированного проведения лекционных и практических занятий на высоком методическом уровне и объективной оценки полученных знаний.

Теоретический раздел содержит краткий конспект лекций, раскрывающий содержание всех тем учебного материала, предусмотренных учебной программой дисциплины ’’Метаболическая биохимия‘‘.

Практический раздел комплекса содержит материалы, необходимые для подготовки к лабораторным занятиям. В нем приведены темы, выносимые на рассмотрение на лабораторных занятиях, а также темы рефератов и кратких сообщений.

Раздел контроля знаний содержит материалы итоговой аттестации (перечень вопросов к экзамену).

Вспомогательный раздел включает в себя учебную программу, с перечнем учебной, учебно-методической литературы и информационноаналитических материалов, рекомендуемых для изучения учебной дисциплины.

3

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ

Тема 1.1. Метаболическая биохимия как наука. Общая характеристика метаболизма

Раздел 2. МЕТАБОЛИЗМ ДНК И РНК

Тема 2.1 Ферментативное расщепление нуклеиновых кислот

2.1.1Принципы распада и биосинтеза пуриновых нуклеотидов

2.1.2Принципы распада и биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов

Тема 2.2 Биосинтез нуклеиновых кислот (репликация и транскрипция)

2.2.1Репликация ДНК: биохимические механизмы и биологическая

роль

2.2.2Биосинтез РНК

Раздел 3. МЕТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ, ПЕПТИДОВ, АМИНОКИСЛОТ

Тема 3.1 Биосинтез белков (трансляция)

3.1.1Факторы, определяющие состояние белкового обмена

3.1.2Биосинтез белков

Тема 3.2 Ферментативное расщепление белков и пептидов. Внутриклеточный протеолиз

3.2.1 Ограниченный протеолиз белков

Тема 3.3 Основные пути катаболизма аминокислот. Синтез аминокислот

3.3.1Пути образования и распада аминокислот

3.3.2Процессы дезаминирования и декарбоксилирования аминокислот

3.3.3Образование и детоксикация аммиака

3.3.4Специфические пути обмена некоторых аминокислот

3.3.5Типы азотистого обмена

Раздел 4. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Тема 4.1 Расщепления олиго- и полисахаридов. Гликолиз и гликогенолиз

4

4.1.1Переваривание и всасывание углеводов

4.1.2Биохимия гликолиза

Тема 4.2 Катаболизм пировиноградной кислоты. Цикл трикарбоновых кислот

4.2.1Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

4.2.2Цикл трикарбоновых кислот

4.2.3Энергетическая роль общего пути катаболизма

4.2.4Глиоксилатный цикл

4.2.5Глюконеогенез

Тема 4.3 Апотомический (пентозомонофосфатный) путь катаболизма глюкозы. Анаболизм углеводов

4.3.1 Пентозофосфатный путь обмена углеводов

4.3.2 Характеристика обходных реакций гликолиза

4.3.3 Гликогенолиз и синтез гликогена

Раздел 5. ОБМЕН ЛИПИДОВ

Тема 5.1 Основные пути катаболизма липидов

5.1.1Расщепление и всасывание липидов в желудочно-кишечном

тракте

5.1.2Пути окисления жирных кислот

5.1.3Метаболизм кетоновых тел

Тема 5.2 Синтез липидов

5.2.1Синтез жирных кислот

5.2.2Принципы биосинтеза ацилглицеринов и фосфолипидов

Раздел 6. ЭНЕРГЕТИКА БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Тема 6.1 Основные понятия биохимической термодинамики. Принципы организации дыхательной цепи митохондрий

6.1.1Введение в обмен веществ и энергии

6.1.2Макроэргические соединения

Тема 6.2 Механизм сопряжение окисления органических содеинений и синтеза АТФ

6.2.1Энергетический баланс процессов метаболизма

6.2.2Механизмы сопряжения оксиленияи фосфорилирования

Тема 6.3 Реакции свободного окисления органических соединений. Свободнорадикальные окислиительные процессы

5

6.3.1 Регуляторы свободно-радикального окисления в клетках

Раздел 7. ИНТЕГРАЦИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Тема 7.1 Принципы гуморальной регуляции метаболизма

7.1.1Важнейщие биохимические принципы метаболизма как совокупности реакций биосинтеза, превращение и распад биомолекул

7.1.2Гормональная регуляция энергетического обмена

Тема 7.2 Взаимосвязь процессов регуляции метаболизма углеводов, липидов и белков

7.2.1Внутриклеточная локализация биохимических процессов

7.2.2Принципы регуляции метаболизма в клетках и в организме

6

7

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ

Тема 1.1. Метаболическая биохимия как наука. Общая характеристика метаболизма

Метаболическая биохимия – наука о химических превращениях органических веществ, протекающих в живых организмах и лежащих в основе разнообразных проявлений жизнедеятельности.

Живые организмы характеризуются рядом признаков, коренным образом отличающих их от неживых тел. Одним из таких признаков является обмен веществ – постоянно протекающий, самосовершающийся, саморегулирующий процесс обновления живых организмов. С прекращением обмена веществ прекращается жизнь. Обмен веществ включает в себя разнообразные физиологические, физические и химические процессы. К физиологическим процессам относится поступление питательных веществ (белков, липидов, углеводов, минеральных веществ, воды, витаминов и др.) из окружающей среды и выделение продуктов жизнедеятельности организма. Физические процессы – это сорбция, всасывание, различные формы движения. К химическим процессам относятся распад питательных веществ и синтез необходимых организму соединений. В химических процессах обмена веществ выделяют внешний и промежуточный виды обмена.

Внешний обмен – это внеклеточное превращение веществ на путях их поступления и выделения.

Промежуточный обмен – это превращения веществ внутри клеток. Процессы промежуточного обмена включают превращения компонентов пищи после их переваривания и всасывания. Промежуточный обмен веществ иначе называют метаболизмом.

Метаболизм – это совокупность всех химических процессов, которые могут протекать в клетке. Его делят на непрерывный, скоординированный, регулируемый.

Все биохимические процессы, происходящие в клетках живых организмов, протекают в условиях постоянства температуры и давления, при отсутствии значительных перепадов концентраций, резких изменений объема и т.п. Превращение органических соединений в клетке происходит в ходе последовательных реакций, которые называются метаболическими путями.

Метаболиты – вещества, образующиеся в процессе метаболических превращений (промежуточные и конечные).

Цепи химических реакций образуют метаболические пути или циклы, каждый из которых выполняет определенную функцию. В метаболизме принято выделять два противоположных процесса – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм – это процессы распада веществ, сопровождающиеся выделением энергии.

Анаболизм – процессы синтеза сложных молекул из более простых, сопровождающиеся потреблением энергии.

7

8

МЕТАБОЛИЗМ

Катаболизм сопровождается освобождением энергии, которая может аккумулироваться в виде АТФ. При анаболических процессах происходит потребление энергии, которая освобождается при распаде АТФ до АДФ и фосфорной кислоты или АМФ и пирофосфорной кислоты. Следовательно, АТФ является сопрягающим энергетическим звеном катаболизма и анаболизма. Кроме АТФ связующим звеном могут служить специфические метаболические пути или циклы. Метаболические пути, в которых объединяются процессы распада и синтеза органических соединений, называются амифиболическими. Примером амфиболического цикла может служить цикл Кребса (рисунок 1). Амфиболические пути связаны, как правило, с окислением веществ до углекислого газа и воды.

Рисунок 1. – Схема взаимосвязи катаболизма и анаболизма

Для описания метаболизма в катаболизме и анаболизме различных биомолекул выделяют 3 последовательных этапа. Многие реакции катаболизма и анаболизма – это обратимые реакции.

8

9

Конечные продукты 1-го этапа катаболизма – это строительные блоки биомолекул, образующиеся при гидролизе биополимеров.

Реакции 2-го этапа катаболизма – это окисление и трансформация строительных блоков биополимеров до активной уксусной кислоты – ацетилкоэнзима А, т. е. остатка уксусной кислоты, соединенного с коферментом ацилтрансфераз — коэнзимом А (КоА); 2-й этап анаболизма – это пути образования из активной уксусной кислоты и других веществ строительных блоков биомолекул. Это, в частности, происходящие с затратой энергии процессы трансформации карбоновых кислот цикла Кребса в пировиноградную кислоту, образование заменимых аминокислот, предшественников нуклеотидов, биосинтез мочевины.

3-й этап катаболизма рассматривают как заключительный этап трансформации энергии, связанный с протеканием таких процессов, как цикл Кребса и окислительное фосфорилирование (ОКФОС).

Соответственно 1-ом этапом анаболизма можно считать процесс аккумуляции энергии в клетке, то есть биосинтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, который в ОКФОС сопряжен с переносом протонов из межмембранного пространства митохондрий в их матрикс.

Вещества, образуемые в метаболическом потоке одних веществ, например, в ходе метаболизма углеводов, могут включаться в другие метаболические потоки других биомолекул. Например, 3- фосфоглицериновый альдегид, образующийся в ходе пентозофосфатного пути окисления глюкозы, может включаться в процесс гликолиза, а может переходить в метаболический поток липидов, превращаясь в глицерин, необходимый для синтеза триглицеридов и фосфолипидов.

Несмотря на то, что катаболизм и анаболизм тесно связаны друг с другом, они являются самостоятельными путями. Если бы эти фазы метаболизма различались лишь направлением, то в обмене возникли бы бесполезные пути (циклы). Такие циклы возникают при патологии. Чтобы этого не происходило, в клетках организма пути синтеза и распада веществ пространственно разобщены.

Функции метаболизма в организме:

Снабжение организма (клетки) химической энергией.

Расщепление соединений, поступающих вместе с пищей, и их превращение в материал для построения макромолекул.

Распад обновляемых структурных компонентов клетки.

Синтез биополимеров и макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и углеводов).

Синтез и распад биологических молекул, выполняющих специфические функции (гормоны, коферменты, медиаторы и т.п.).

9

10

Раздел 2. МЕТАБОЛИЗМ ДНК И РНК

Тема 2.1 Ферментативное расщепление нуклеиновых кислот

2.1.1 Принципы распада и биосинтеза пуриновых нуклеотидов

Пуриновые основания, образующиеся в процессе переваривания нуклеиновых кислот в кишечнике, в дальнейшем практически не используются, поэтому их синтез осуществляется из низкомолекулярных предшественников, продуктов обмена углеводов и белков. Впервые работами Дж. Бьюкенена, Дж. Гринберга экспериментально доказано включение ряда меченых атомов, в частности 15N- и 14С-глицина, 15N-аспартата, 15N- глутамина и др., в пуриновое кольцо мочевой кислоты. Скармливая птицам эти и другие меченые соединения, Дж. Бьюкенен анализировал места включения метки в пуриновое кольцо; полученные данные были в дальнейшем уточнены и подтверждены рядом других исследователей. Результаты этих исследований можно представить в виде схемы:

Из схемы видно, что 4-й и 5-й атомы углерода и 7-й атом азота в ядре имеют своим источником глицин. Два атома азота (N-3 и N-9) происходят из амидной группы глутамина, один атом азота (N-1) – из азота аспарагиновой кислоты; углеродный атом (С-2) происходит из углерода N10-формил-ТГФК, атом углерода в 8-м положении – из N5,N10-метенил-ТГФК и, наконец, углерод С-6 имеет своим источником СО2. В настоящее время благодаря исследованиям Дж. Бьюкенена, Дж. Гринберга, А. Корнберга и сотр. полностью расшифрована последовательность включения перечисленных веществ в пуриновое кольцо, установлена природа всех промежуточных соединений и ферментных систем, катализирующих химические реакции синтеза. Интересным оказался факт почти полного совпадения путей синтеза пуриновых оснований в печени животных и у микроорганизмов, в частности у Е. coli и Neurospora crassa. Следует, однако, отметить, что конечным результатом синтеза оказалось не свободное пуриновое основание, а рибонуклеотид – инозиновая кислота (ИМФ), из которой далее синтезируются АМФ и ГМФ. На схеме представлена последовательность всех 11 химических реакций этого синтеза с указанием ферментных систем,

10