Funktsional'naia_biokhimiia

2

Рассмотрено и утверждено на заседании научно-методического

совета 03.01.2023 г., протокол № 2

СОГЛАСОВАНО

Декан факультета

___________В.Т. Чещевик

СОГЛАСОВАНО

Заведующий кафедрой

___________Н.А. Глинская

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

3

СОДЕРЖАНИЕ

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

4

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Учебно-методический комплекс предназначен для подготовки студентов дневной формы обучения. Он является нормативным документом, которым определяются содержание обучения и устанавливаются требования к объему и уровню подготовки студентов по специальности 1-31 01 02 ”Биохимия“.

Целью курса является формирование у студентов целостной системы знаний об обмене веществ в различных тканях и органах организма человека.

В задачи дисциплины входит изучение обмена основных метаболитов (белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты) в органах и биологических жидкостях организма человека (кровь, печень, почки, мышцы, нервная система), а также интеграция и регуляция метаболизма, происходящая на уровне этих органов.

Обучение студентов по курсу ”Функциональная биохимия“ по специальности ”Биология (по направлениям)“ для дневной формы получения образования проводится в форме лекций (34 часа) и лабораторных занятий (34 часа). Общее количество часов по дисциплине составляет 68 часов. Форма контроля – экзамен.

На лекциях излагаются общетеоретические основы по данной дисциплине.

На практических занятиях используются демонстрационные материалы, учебно-методические материалы; методические материалы по тематике дисциплины, а также основное лабораторное оборудование для проведения лабораторных работ.

При изучении данного курса используются учебно-наглядные пособия: схемы, таблицы, фильмы.

Контроль усвоения знаний осуществляется посредством устных и письменных опросов.

Формы текущей аттестации по дисциплине: фронтальный опрос, письменная работа, реферат.

Формы итоговой аттестации по дисциплине – экзамен.

К экзамену допускаются студенты, успешно выполнившие программу по дисциплине.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

ТЕМА № 1 ВВЕДЕНИЕ

План:

1.Функциональная биохимия как наука, связь с другими разделами биохимии. Методология, задачи и место функциональной биохимии в системе биологических наук.

2.Современные направления исследований с использованием биохимических и инструментальных методов, нанотехнологий.

3.Структурно-функциональная компартментализация, регуляция и интеграция биохимических процессов в организме.

4.Вклад биохимических функций органов и тканей в поддержание гомеостазиса и обеспечение адаптации организма.

1. Функциональная биохимия как наука, связь с другими разделами биохимии. Методология, задачи и место функциональной биохимии в системе биологических наук.

Функциональная биохимия – раздел биохимии, задачей которого является изучение взаимосвязей между химической структурой, физикохимическими свойствами соединений и их биологической активностью. Функциональная биохимия изучает биохимические реакции, лежащие в основе физиологических функций. Она изучает биохимические основы переваривания питательных веществ в желудочно-кишечном тракте; механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса, дыхательной функции крови, регуляции кислотно-щелочного равновесия, функции печени и почек, иммунной системы и др., зависимость биологических функций от структуры белков.

Функциональная биохимия концентрирует свое внимание на изучении специфических биохимических функций органов и тканей и их вкладе в обеспечение процессов жизнедеятельности организма в целом, структурнофункциональной компартментализации, регуляции и интеграции биохимических процессов, которые обеспечивают адаптацию и поддержание гомеостазиса. Она сохраняет тенденцию устойчивого развития и справедливо относится к числу приоритетных научных направлений.

Функциональная биохимия непосредственно связана с другими разделами биохимии. Для знания функциональной биохимии необходимо иметь представления о структуре основных классов органических веществ и биологически активных веществ, которые принимают участие в функционировании организма. Таким образом она связана со структурной (т.н. статической) биохимией. Функциональная биохимия связана и с

метаболической (т.н. динамической) биохимией, которая изучает пути

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

6

метаболизма веществ; конкретно функциональная биохимия показывает, как метаболические процессы происходят в конкретных тканях и органах. Функциональная биохимия также напрямую зависит от медицинской биохимии и патобиохимии, так как последние две науки посвящены изучению метаболизма веществ в организме, в том числе и в разных тканях и органах в нефизиологических или патологических процессах. Достижения и открытия в области функциональной биохимии служат теоретической и практической основой для развития нормальной и патологической физиологии человека и животных, медицинской и клинической биохимии, иммунологии, радиобиологии и др. Арсенал ее методов и концепций широко используются в медицине, пищевой и фармацевтической промышленности, ветеринарии.

Среди задач функциональной биохимии можно выделить:

1)изучение основных классов биоорганических веществ, играющих значимую роль в физиологии человека;

2)изучение метаболических путей и их нарушения в различных тканях

иорганах организма человека или животных;

3)механизмы регуляции метаболических процессов, происходящих в разных тканях и органах организма человека и животных;

4)изучение основных физиологических процессов организма на молекулярном уровне организации;

5)изучение интеграции метаболизма в организме в целом и роль компартментализации метаболических процессов.

2. Современные направления исследований с использованием биохимических и инструментальных методов, нанотехнологий.

Выбор применяемого метода или их совокупности определяется конкретной целью исследования, Простейшей из них является определение химического строения небольшой молекулы, участвующей в биохимическом процессе. После выделения интересующего вещества в чистом виде {что нередко является непростой задачей) методами классической химии м огут быть установлены его элементны й состав, молекулярная масса, химические свойства и химическая формула соединения. Для биологических макромолекул решение последней задачи неизмеримо усложняется и требует применения современных приборов в сочетании с непростой аналитической работой.

Еще более сложной проблемой представляется установление конформации такой макромолекулы, состоящ ей обычно из тысяч атомов. Рутинными химическими методами ее решить невозможно. Важность же этой проблемы обусловлена тем обстоятельством, что большинство биомакромолекул, в отличие от молекул, изучаемых органической химией, относятся к числу «работающих», своего рода молекулярных машин, в основе функционирования которых лежит изменение их конформации. Последняя очень лабильна, и даже небольшие изменения температуры, pH,

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

7

состава растворителя изменяют пространственное расположение атомов в биомакромолекуле.

Помимо знания молекулярного механизма функционирования биомолекул, например ферментов, необходимы сведения об их кинетических, термодинамических, физических, электрохимических и прочих свойствах. Для получения этих сведений используется свой комплекс современных приборов и соответствующий набор теоретических моделей.

Специфические подходы и методы требуются для изучения важнейшей проблемы биохимии – обмена веществ, количество которых в организме и отдельной клетке измеряется многозначными числами.

Особую сложность представляет изучение информационных процессов (репликация, транскрипция, трансляция, межклеточные взаимодействия и др.), составляю щ их сердцевину жизненного потока биосистем любого иерархического уровня (клетки, одноклеточные и многоклеточные организмы, сообщества). Здесь также используются совершенные подходы и самые современные приборы.

Не менее трудным является исследование работы клетки (особенно эукариотической) как сложнейшей саморегулирующейся системы, органически объединяющей потоки информации, материи (вещества) и энергии.

Современные методы широко используются и при изучении биохимических процессов, протекающих в целом многоклеточном организме, и при выявлении связи этих процессов с работой физиологических систем (функциональная биохимия).

Практически «белым пятном» для биохимии и молекулярной биологии является онтогенез, механизмы цитодифференцировки и морфогенеза. Непростые, специфические подходы с использованием самых совершенных приборов и компьютерной техники потребовались и при решении прикладных проблем биохимии, имеющих жизненно важное значение. Сюда относятся проблемы, стоящие перед биотехнологией, медициной, сельским хозяйством.

Классификация современных методов биохимии. Под стать многообразию задач, решаемых биохимией, и число различных методов, используемых в своей работе биохимиками. В зависимости от природы явления или области знания, лежащих в основе метода, его относят к той или иной классификационной группе. Следует иметь в виду, что любая классификация не является абсолютной, общепризнанной и ед инственно возможной.

Существуют классификации (обычно в пределах одной группы), основанные на конструктивных признаках и дополняющие основную классификацию. Классификации методов имеют иерархическую структуру.

Нами будут рассмотрены с разной степенью подробности следующие группы методов: химические, физико-химические, физические, модельные и специальные.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

8

Химические методы хронологически являются наиболее старыми. Они основаны на использовании специфических реагентов, при взаимодействии которых с исследуемым веществом возникает определенный эффект, воспринимаемый органами чувств человека (окраска, осадок, запах и др.). Для количественной оценки результатов исследования в большинстве случаев применяются весовой или объемный методы, осуществляемые с использованием аналитических весов или бюреток.

Граница между физико-химическими и физическими методами анализа условна, и каждый автор проводит ее по-своему, а иногда эти методы вообще не разделяют. Поскольку характерным для обоих методов является использование специальных физических приборов, их можно назвать инструментальными методами анализа. Основанием для этого служит то обстоятельство, что термином «инструмент» называют также приборы, устройства, приспособления, применяемы е в науке и технике для измерений

идругих операций.

Кфизико-химическим методам мы будем относить такие, которые позволяют путем регистрации физических параметров системы получать информацию о ее химических свойствах (концентрации раствора, качественном и количественном составе сложной смеси веществ, строении молекулы и др.). Физические методы позволяют с помощью одних физических свойств системы получить сведения о других, которые, повидимому, правильнее отнести к физическим свойствам (форма, размер, ж есткость молекулы). Кроме того, во многих физических методах используются жесткие физические воздействия, которые разрушают или существенно изменяют химический состав исходной пробы, при этом в основе метода лежат явления, преимущ ественно связанные с атомным ядром

иневалентными электронами. В целом же физические методы представляют собой сборную группу, и само деление методов анализа на физикохимические и физические, принятое нами, является достаточно условным, порою вызванным удобством изложения материала. Для инструментальных методов анализа характерно сочетание их с химическими методами, а также объединение в одном комбинированном методе двух разных методов. Кроме того, наряду с классическими вариантами инструментальных методов существуют и их микромодификации.

3.Структурно-функциональная компартментализация, регуляция

иинтеграция биохимических процессов в организме.

Мембраны обусловливают компартментализацию клетки, отделяя тем самым друг от друга различные процессы метаболизма. Отдельные ферменты могут быть растворимыми, но, заключенные внутри органеллы, они функционируют фактически независимо от цитоплазмы. Другие ферменты могут быть прикреплены к мембране или составлять ее часть. В этом случае их активный центр обращен в один из отсеков, ограниченных мембраной. Физическое разделение метаболических процессов обеспечивается

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

9

полупроницаемостью липопротеидных мембран – свойством, которое предотвращает свободное движение не только макромолекул, но также и заряженных водорастворимых промежуточных продуктов метаболизма.

Метаболические системы, однако, не полностью изолированы друг от друга. В мембранах, разделяющих клетку на отдельные отсеки, имеются специальные механизмы, обеспечивающие избирательное поступление субстратов, выделение продуктов, а также движение кофакторов и соединений, обладающих регуляторным действием. Следовательно, скорости отдельных метаболических процессов, протекающих внутри отсеков, частично регулируются транспортными системами, расположенными в разделяющих мембранах.

При выделении органелл нарушаются связи со средой, которые регулируют метаболические процессы, и метаболизм таких органелл может измениться. Например, если утрачен некий фактор, обеспечивающий транспорт определенного субстрата, то использование этого субстрата станет невозможным даже при наличии всех необходимых ферментов. Метаболизм восстанавливается, когда, например, в результате осмотического шока нарушается целостность органеллы. Окисление различных добавленных промежуточных продуктов метаболизма во фракции неразрушенных митохондрий протекает с небольшой скоростью. Скорость эта значительно возрастает при повреждении митохондрий. Ниже приведены величины, характеризующие интенсивность поглощения кислорода ннтактными митохондриями и митохондриями, разрушенными ультразвуком, при окислении различных субстратов.

Данные, полученные при изучении явлений, связанных с латентностью,

ипутей ее преодоления, позволят лучше понять физическую природу мембранных барьеров и выяснить механизмы транспорта отдельных метаболитов через эти барьеры.

Метаболизм в митохондриях летательной мышцы мясной мухи, почти полностью направленный на производство энергии, использует в качестве «топлива» субстраты (пируват и 3-глицерофосфат), для которых имеется специфическая система транспорта через митохондриальную мембрану. Эта мембрана непроницаема для промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот. В противоположность этому митохондрии печени и почек млекопитающих обладают широким набором транспортных систем, например, для сукцината, малата, α-кетоглутарата, пирувата, глутамата и цитрата. Одни из этих транспортных систем обеспечивают быстрое проникновение «горючего» в митохондрии, другие – обмен специфических промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот с цитоплазмой. Например, в результате выхода цитрата из митохондрий происходит образование ацетилкофермента А, необходимого для синтеза жирных кислот

истеринов в цитоплазме.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

10

Интактные митохондрии, выделенные из различных тканей, не окисляют добавленный извне НАД Н и не включают 14С-НАД H. В некоторых тканях, однако, цитоплазматический НАД H представляет собой весьма важный источник топлива для митохондриального синтеза АТФ. В этом случае непроницаемый барьер преодолевается с помощью «челночного» механизма передачи восстановительных эквивалентов. Внемитохондриальный НАД H используется внемитохондриальной дегидрогеназой для восстановления соединения, которое затем проникает в митохондрии, где окисляется внутримито-хондриальной дегидрогеназой. Последовательность реакции повторяется после возвращения этого соединения в цитоплазму.

Аналогичная ситуация возникает при окислении жирных кислот. Внемитохондриальный ацил-КоА не проникает в митохондрии, а ацильная группа проходит через внутреннюю мембрану митохондрии, соединяясь с карнитином. Имеется две ацил-КоА: карнитинацилтрансферазы, которые располагаются по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. Таким образом, окисление жирных кислот изолированными митохондриями будет протекать эффективно только в присутствии адекватных количеств карнитина. В исключительных случаях, например у мучного хрущака, карнитин может быть весьма важным фактором, регулирующим рост.

Регуляция скоростей метаболических реакций может также осуществляться путем перемещения регулирующих веществ между отсеками клетки. Хорошим примером такого типа регуляции скорости метаболической реакции служат процессы, протекающие в актомиозиновой системе скелетной мышцы. Эта система гидролизует АТФ, и мышца сокращается в том случае, когда концентрация Са2+ в цитоплазме превышает 10–6 М (рисунок 1.1., А). При понижении концентрации Са2+ АТФ-азная активность падает, и мышца расслабляется (рисунок 1.1., Б).

Концентрации ионов Са2+ в цитоплазме мышечных клеток регулируются работой саркоплазматической сети, которая обладает мощной системой активного транспорта кальция. В результате кальций накапливается внутри сети, а его концентрация в цитоплазме значительно понижается (<10–7 М); при такой концентрации мышца находится в расслабленном состоянии. Высвобождение накопленного кальция в цитоплазму обусловлено быстрым увеличением проницаемости мембран саркоплазматической сети для ионов Са2+. Это изменение проницаемости мембраны вызывается потенциалом действия, который генерируется на двигательных концевых пластинках и распространяется по цилиндрическим впячиваниям сарколеммы.

Характерной чертой компартментализации метаболизма часто является

разделение противоположно направленных процессов. В результате каждый из этих процессов регулируется независимо один от другого. Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а β-окисление жирных кислот – в митохондриях. Сходным образом биосинтез белка протекает в цитоплазме, тогда как его деградация осуществляется в лизосомах.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ