биохимия краткий курс часть 1
.pdfГосударственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
И. Э. Егорова, А. И. Суслова, В. И. Бахтаирова
БИОХИМИЯ. КРАТКИЙ КУРС
Часть I
Учебное пособие
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России в качестве учебного пособия
для обучающихся по основным профессиональным образовательным программам высшего образования – программам специалитета по специальности Фармация № 420/05.05-20 от 11.11.2013
Иркутск
ИГМУ
2013
1
УДК612.015.(075.8)
ББК 28.902я73 Е 30
Авторы
И. Э.Егорова – канд. мед.наук, доцент кафедры химии и биохимии ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России,
А. И. Суслова – канд. мед.наук, доцент кафедры химии и биохимии ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России,
В. И. Бахтаирова–канд. мед.наук, доцент,зав. кафедрой химии и биохимии ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России
Рецензенты:
Е. А. Бородин – зав. кафедрой биохимии с курсом органической и неорганической химии ГБОУ ВПО Амурской государственной медицинской академии, д-р мед.наук, профессор А.Б. Салмина – зав.кафедрой биологической химии с курсом медицинской,
фармацевтической и токсикологической химии Красноярского государственного Медицинского университета имени В. Ф. Войно-Ясенецкого, д-р м. н., профессор
Егорова И. Э., Суслова А. И., Бахтаирова В. И.
Е 30 Биохимия. Краткий курс. Часть I:учебное пособие/ И. Э. Егорова, А. И. Суслова, В. И. Бахтаирова ; ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России, Кафедра химии и биохимии – Иркутск: ИГМУ. 2013, – 88 с.
Пособие «Биохимия (часть 1)» предназначено для обучающихся как учебный материал, помогающий более полно усвоить учебную дисциплину «Биологическая химия». В данном пособии отражены следующие разделы: ферменты, витамины, биоокисление и биоэнергетика, обмен углеводов, обмен липидов, обмен белков, азотистые вещества плазмы крови и мочи. В пособии представлен теоретический материал, химизм некоторых биохимических процессов, а также имеются тестовые задания для проверки усвоения темы.
Учебное пособие предназначено для обучающихся по основной профессиональной образовательной программеспециалитетавысшего образования поспециальности «Фармация».
УДК 612.015.(075.8)
ББК 28.902я73
©Егорова И. Э., Суслова А. И., Бахтаирова В. И., 2013 ©ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России, 2013
2
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
Список сокращений……………………………………………………............ |
4 |
|
Введение………………………………………………………………............... |
6 |
1.1 |
Строение ферментов…………………………………………………............... |
7 |
1.2 |
Номенклатура и классификация ферментов…………………………............. |
9 |
1.3 |
Изоферменты и их медицинское значение……………………………............ |
10 |
1.4Регуляция активности ферментов…………………………….......................... 11
1.5 |
Ферменты в медицине и фармации…………………………….................... |
… 13 |
1.6. |
Тестовые задания................................................................................................ |
15 |
2. |
Витамины…………………………………………………………….................. |
17 |
2.1Водорастворимые витамины………………………………….......................... 18
2.2 |
Жирорастворимые витамины………………………………………….............. |
22 |
2.3. |
Тестовые задания................................................................................................. |
24 |
3.Биоокисление и биоэнергетика………………………………………............... 26
3.1 |
Цикл Кребса………………………………………………………….................. |
28 |
3.2 |
Дыхательная цепь………………………………………………………............ |
30 |
3.3Свободное окислении: функции, оксидативная модификация……............... 33
3.4. |
Тестовые задания................................................................................................ |
34 |
4. |
Обмен углеводов……………………………………………….......................... |
36 |
4.1 |
Переваривание и всасывание……………………………………...................... |
36 |
4.2 |
Обмен гликогена…………………………………………….............................. |
38 |
4.3Распад глюкозы в аэробных и анаэробных условиях………........................... 40
4.4 |
Глюконеогенез………………………………………………………….............. |
44 |
4.5 |
Пентозофосфатный путь превращения глюкозы………………...................... |
46 |
4.6 |
Гомеостаз глюкозы крови………………………………………………........... |
46 |
4.7. |
Тестовые задания................................................................................................. |
48 |
5. |
Обмен липидов……………………………………………………..................... |
50 |
5.1 |
Переваривание и всасывание……………………………………….................. |
50 |
5.2 |
Обмен жира……………………………………………………........................... |
51 |
5.3 |
Обмен жирных кислот……………………………………………..................... |
54 |
5.4 |
Обмен и роль кетоновых тел………………………………….......................... |
58 |
5.5 |
Обмен, роль и транспорт холестерина…………………………....................... |
59 |
5.6 |
Патология обмена холестерина…………………………………...................... |
62 |
5.7. |
Тестовые задания................................................................................................. |
63 |
6. |
Обмен белков…………………………………………………………............... |
65 |
6.1 |
Переваривание и всасывание……………………………………...................... |
65 |
6.2 |
Декарбоксилирование аминокислот.................................................................. |
67 |
6.3 |
Обмен по аминогруппе....................................................................................... |
70 |
6.4 |
Источники аммиака и его обезвреживание……………………….................. |
72 |
6.5 |
Судьба безазотистого остатка аминокислот…………………......................... |
74 |
6.6 |
Обмен отдельных аминокислот…………………………………...................... |
75 |
6.7. |
Тестовые задания................................................................................................. |
76 |
7. |
Азотистые вещества плазмы крови и мочи………………………................... |
79 |
7.1 |
Белки плазмы крови. Функции основных фракций……….............................. |
79 |
7.2 |
Пептиды и их значение…………………………………………....................... |
81 |
7.3 |
Остаточный азот ………………………………………………......................... |
82 |
|
3 |
|
7.4 |
Азотистые вещества мочи. Аминоацидопатии…………………..................... |
83 |
7.5. |
Тестовые задания…………………………………………................................. |
83 |
|
Эталоны ответов к тестовым заданиям…………………………...................... |
86 |
|
Рекомендуемая литература……………………………………......................... |
87 |
4
|
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ |
АКТГ |
– |
Адренокортикотропный гормон |
АЛТ |
– |
Аланинаминотрансфераза |
АПБ |
– |
Ацилпереносящий белок |
АС |
– |
Атеросклероз |
АСТ |
– |
Аспартатаминотрансфераза |
АТФ |
– |
Аденозилтрифосфат |
АФК |
– |
Активные формы кислорода |
ГАМК |
– |
Гамма-аминомасляная кислота |
ГНГ |
– |
Глюконеогенез |
ГТФ |
– |
Гуанозилтрифосфат |
ДНК |
– |
Дезоксирибонуклеиновая кислота |
ДОАФ |
– |
Диоксиацетонфосфат |
ДОФА |
– |
Диоксифенилаланин |
ДЦ |
– |
Дыхательная цепь |
ЖКТ |
– |
Желудочно-кишечный тракт |
ИБС |
– |
Ишемическая болезнь сердца |
ЙТ |
– |
Йодтиронины |
ЛДГ |
– |
Лактатдегидрогеназа |
ЛПВП |
– |
Липопротеины высокой плотности |
ЛПВП |
– |
Липопротеины низкой плотности |
ЛПОНП |
– Липопротеины очень низкой плотности |
|
НАД |
– |
Никотинамидадениндинуклеотид |
НАДФ |
– |
Никотинамидадениндинуклеотидфосфат |
НЭЖК |
– |
Неэстерифицированные жирные кислоты |
ОФ |
– |
Окислительное фосфорилирование |
ПАБК |
– |
Парааминобензойная кислота |
ПНЖК |
– |
Полиненасыщенные кислоты |
ПФП |
– |
Пентозофосфатный путь |
СТГ |
– |
Соматотропный гормон |
ТГФК |
– |
Тетрагидрофолиевая кислота |
ТГЛ |
– |
Триглицеридлипаза |
УДФ |
– |
Уридиндифосфат |
УТФ |
– |
Уридинтрифосфат |
ФАД |
– |
Флавинадениндинуклеотид |
ФКУ |
– |
Фенилкетонурия |
ФМН |
– |
Флавинмононуклеотид |
ХМ |
– |
Хиломикроны |
ХС |
– |
Холестерин |
ЦТК |
– |
Цикл трикарбоновых кислот |
SAM |
– |
S-аденозилметионин |
|
|
5 |
ВВЕДЕНИЕ
Введение нового федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования предусматривает формирование у студентов профессиональных компетенций, основанных на комплексном подходе к изучению учебных дисциплин.
Биологическая химия – это наука о химическом составе живой материи и химических процессах, протекающих в живом организме и лежащих в основе его жизнедеятельности.
Биохимия для фармацевтического факультета является базовой дисциплиной, тесно связанной с проблемами химии, биологии, медицины, фармации, т.к.биохимические сведения лежат в основе познания функций организма. Эффективное изучение биохимических закономерностей позволяет усваивать последующие дисциплины и в процессе профессиональной деятельности ориентироваться в особенностях обмена веществ у здорового и больного человека, понимать механизмы действия различных лекарственных веществ и их превращения в организме.
Важной задачей биохимии является исследование функционального значения всех веществ и продуктов их превращения в организме, исследование закономерностей перехода физико-химических процессов, совершающихся в живых телах, в физиологическую функцию.
В предлагаемом учебном пособии рассматриваются материалы по основным разделам биохимии (ферменты, витамины, биоокисление, обмен углеводов, липидов, аминокислот).
Учебное пособие призвано восполнить дефицит необходимой информации, существенно облегчить изучение предмета биологическая химия и расширить знания о научно-практических основах биохимии.
6
1. ФЕРМЕНТЫ
В организме протекает множество химических ферментативных реакций. Совокупность этих реакций объединяют термином метаболизм. Многие из протекающих реакций объединены в метаболические (ферментативные) цепи, в которых продукт реакции, катализируемой первым ферментом, становится субстратом для следующей реакции, катализируемой вторым ферментом, и т.д.
|
E1 Е2 |
Е3 |
Е4 |
А |
В |
С |
D F |
На |
каждой |
из |
последовательных стадий метаболического пути |
происходит обычно лишь небольшое химическое изменение – удаление или присоединение какого-нибудь атома, молекулы или функциональной группы.
Метаболизм складывается из двух фаз – катаболизма и анаболизма. При катаболизме происходит расщепление сложных органических молекул до промежуточных метаболитов и затем до конечных продуктов (СО2 и воды); при этом происходит освобождение энергии и восстановление коферментов.
В ходе реакций анаболизма из молекул-предшественников с использованием восстановленных коферментов и энергии происходит синтез мономеров и полимеров. Реакции анаболизма и катаболизма протекают параллельно, но регулируются независимо.
Все реакции метаболизма осуществляются ферментами. Ферменты – это биокатализаторы белковой природы. Как и все остальные катализаторы (кислоты, щелочи), ферменты имеют ряд общих с ними свойств: не расходуются при реакциях, ускоряют только возможные реакции, не изменяют направления реакции, не изменяют положения равновесия в обратимых реакциях. Но по сравнению с другими катализаторами ферменты имеют ряд отличий: обладают гораздо большей активностью (ускоряют реакции в 108 – 1011 раз), работают в мягких условиях (температура 37 градусов, рН 7, давление 1 атм.). Ферменты также обладают специфичностью или избирательностью действия. Специфичность бывает абсолютной (при этом фермент катализирует превращение одного субстрата) и относительной (при этом фермент катализирует превращение нескольких субстратов, имеющих сходное строение и общий тип химической связи). Кроме того, активность ферментов в отличие от небиологических катализаторов регулируется.
Ферменты имеют ряд свойств, которые подтверждающих белковую природу: молекулярная масса ферментов лежит в диапазоне 104 – 106 ДА, для них характерна колоколообразная зависимость скорости реакции от температуры и рН среды, они способны денатурироваться тяжелыми металлами, растворителями, излучениями.
1.1.СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ
Биологические функции фермента связаны с наличием в его структуре активного центра. Вещество, взаимодействующее с ферментом, называется субстратом. Тогда активный центр фермента – это место на его поверхности,
7
где происходит связывание и каталитическое превращение субстрата. В активном центре выделяют участок связывания, который обеспечивает субстратную специфичность, и каталитический участок, который осуществляет химическое превращение субстрата. Однако эти участки не всегда имеют четкое пространственное разделение и иногда могут «перекрываться». Активный центр формируется в третичной структуре и состоит из нескольких аминокислотных остатков, которые оказались сближенными при формировании третичной структуры, в то время как в первичной структуре эти аминокислотные остатки могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние. У большинства ферментов в состав активного центра (помимо аминокислотных остатков) входит еще небелковый компонент – кофактор. Белковая часть молекулы фермента называют апоферментом, а комплекс апофермента и кофактора – холоферментом. В роли кофакторов могут выступать ионы металлов и органические соединения – чаще всего производные витаминов. Их называют коферментами (табл.).
Апофермент обеспечивает специфичность действия и отвечает за выбор типа химического превращения субстрата, а кофермент обычно участвует в переносе функциональных групп. Один и тот же кофермент, взаимодействуя с различными апоферментами, может участвовать в разных превращениях субстрата.
|
|
|
Таблица |
|
|
Коферменты |
|
|
|
|
|
№№ |
Кофермент |
Витамин |
Основная функция |
|
|
|
|
|
Тиаминпирофосфат |
В1 (тиамин) |
Декарбоксилирование - |
1 |
|
|
кетокислот |
|
НАД – |
|
|
2 |
никотинамид- |
РР (никотинат) |
Перенос Н |
|
адениндинуклеотид |
|
|
|
НАДФ – |
–//– |
–//– |
3 |
НАД-фосфат |
|
|
|
ФМН – |
|
–//– |
4 |
флавинмононук- |
В2 (рибофлавин) |
|
|
леотид |
|
|
|
ФАД – |
–//– |
–//– |
5 |
флавинаденин- |
|
|
|
динуклеотид |
|
|
|
КоQ |
–– |
–//– |
6 |
(убихинон) |
|
|
|
Липоевая кислота |
–– |
–//– |
7 |
|
|
|
|
Пиридоксальфосфат |
В6(пиридоксин) |
Перенос NH2, |
8 |
|
|
декарбоксилирование |
|
|
8 |
|
|
Кофермент |
Витамин |
Основная функция |
|
Биотин |
Н (биотин) |
Присоединение СО2 |
9 |
|
|
|
|
Тетрагидрофолат |
Фолиевая кислота |
Перенос С1 |
10 |
|
|
|
|
КоА – |
Пантотеновая |
Перенос ацилов |
11 |
кофермент |
кислота |
|
|
ацилирования |
|
|
|
Кобаламины |
В12(кобаламины) |
Перенос С1, изомеризация |
12 |
|
|
|
|
ГЕМ |
–– |
Перенос электронов |
13 |
|
|
|
|
Нафтогидрохиноны |
К |
-карбоксилирование |
14 |
|
(нафтогидрохиноны) |
глутамата |
Любая ферментативная реакция протекает в два этапа. Сначала в активном центре субстрат при помощи нековалентных связей взаимодействует с ферментом, формируя фермент-субстратный комплекс. В каталитическом участке субстрат претерпевает химическое превращение в продукт, который затем освобождается из активного центра фермента. Схематично процесс катализа можно представить следующим уравнением:
Е + S ES EP E + Р
(где Е– фермент, S – субстрат, Р – продукт)
1.2.НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Рабочее название ферментов имеет суффикс «аза», присоединенный к названию субстрата, например, липаза, сахараза. Этот суффикс может быть также присоединен к названию химического превращения определенного субстрата, например, лактатдегидрогеназа. Однако в употреблении сохранилось небольшое количество тривиальных, исторически закрепленных названий ферментов, которые не дают представления ни о субстрате, ни о типе химического превращения, например, трипсин, пепсин.
Согласно систематической номенклатуре все ферменты делятся на 6 классов в зависимости от типа катализируемой химической реакции. В каждом классе есть многочисленные подклассы и подподклассы. Каждый класс имеет порядковый номер, строго за ним закрепленный.
1 класс – оксидоредуктазы. Катализируют различные окислительновосстановительные реакции. Сюда входят подклассы дегидрогеназ (отщепляющих атомы водорода), редуктаз (присоединяющих атомы водорода), оксигеназ (внедряющих кислород в субстрат) и др.
2 класс – трансферазы. Катализируют перенос функциональных групп от одного субстрата на другой. Сюда относят аминотрансферазы (переносят
9
аминогруппу), метилтрансферазы (метильную группу), киназы (переносят остаток фосфорной кислоты от АТФ).
3 класс – гидролазы. Катализируют реакции гидролиза (расщепления ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва). Сюда относят эстеразы, гликозидазы, пептидазы.
4 класс – лиазы. Отщепляют от субстратов негидролитическим путем определенную группу, например, декарбоксилазы, альдолазы.
5 класс – изомеразы. Катализируют различные внутримолекулярные превращения (изомеразы, мутазы – в том случае, когда изомеризация состоит во внутримолекулярном переносе какой-либо группы).
6 класс – лигазы (синтетазы).Катализируют реакции присоединения друг к другу двух молекул с образованием ковалентной связи, этот процесс сопряжен с затратой энергии АТФ (РНК-полимераза).
1.3.ИЗОФЕРМЕНТЫ И ИХ МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Изоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но различающиеся по первичной структуре белка. По структуре изоферменты всегда являются олигомерными белками и состоят из негомологичных протомеров. Эти протомеры кодируются разными генами. Причем та или иная ткань преимущественно синтезирует определенные виды протомеров. В результате определенной комбинации формируются ферменты с различной структурой – изоферменты. Они различаются по молекулярной массе, заряду, кинетике (максимальной скорости и константе Михаэлиса), иммунологическим и другим свойствам. Давно открыты и хорошо изучены изоферменты лактатдегидрогеназы(ЛДГ). Молекула ЛДГ состоит из 4-х протомеров двух разных типов: М (Muscle – мышца) и Н (Heart – сердце). Комбинация этих субъединиц образует 5 изоферментов ЛДГ:
Н НННННН М ММ
Н НН М ММММММ
ЛДГ1 ЛДГ2 ЛДГ3 ЛДГ4 ЛДГ5
Изоферменты ЛДГ различаются по электрофоретической подвижности. Это позволило установить их тканевую принадлежность. ЛДГ1 имеет самую высокую активность в сердечной мышце, ЛДГ5 – в печени и скелетных мышцах, другие изоформы активны в других органах.
Медицинское значение. Активность ЛДГ в плазме крови повышается при острых поражениях сердца, печени, почек и др. органов, а также при различных анемиях. Диагностическое значение имеет определение не суммарной активности всех типов ЛДГ, а изоферментов, так как только они являются органоспецифичными. Например, при инфаркте миокарда в крови резко возрастает ЛДГ1, при гепатитах – ЛДГ5.
10