биохимия краткий курс часть 1

Государственное 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

1.4Регуляция активности ферментов…………………………….......................... 11

2.1Водорастворимые витамины………………………………….......................... 18

3.Биоокисление и биоэнергетика………………………………………............... 26

3.3Свободное окислении: функции, оксидативная модификация……............... 33

4.3Распад глюкозы в аэробных и анаэробных условиях………........................... 40

4

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.

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.

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