Е.С. Северин, Т.Л. Алейникова, Е.В. Осипов, С.А. Силаева
БИОЛОГИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
Медицинское информационное агентство Москва
2008
УДК 612
ББК 28.707 Б63
Северин Е.С., Алейникова Т.Л., Осипов Е.В., Силаева С.А.
Б63 Биологическая химия. — М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2008. — 364 с.
ISBN 5-89481-458-8
В учебнике рассматриваются основные положения классической биохимии. Приведены сведения о структуре и свойствах биомолекул, молекулярных основах физиологических функций человека. Цветные рисунки и схемы помогают восприятию и запоминанию сложного для изложения материала. Учебник рекомендуется для студентов медицинских вузов.
УДК 612
ББК 28.707
ISBN 5-89481-458-8 |
© Коллектив авторов, 2008 |
|
© Оформление. ООО «Медицинское |
|
информационное агентство», 2008 |
Всеправа |
|
защищены |
|
Содержание
Список сокращений .................................................................................... |
6 |
Предисловие................................................................................................. |
8 |
Раздел 1. Белки. Структура и функции (Т.Л. Алейникова).................. |
9 |
1.1. Структура белка ........................................................................................ |
9 |
1.2. Конформация полипептидных цепей .................................................... |
13 |
1.3. Взаимодействие белков с лигандами ...................................................... |
17 |
1.4. Простые и сложные белки....................................................................... |
19 |
1.5. Четвертичная структура и кооперативность |
|
изменения конформации промеров ....................................................... |
19 |
1.6. Ингибиторы функций белков ................................................................. |
25 |
1.7. Физико-химические свойства белков..................................................... |
26 |
1.8. Изофункциональные белки .................................................................... |
28 |
Раздел 2. Ферменты (Е.С. Северин, Т.Л. Алейникова) ........................... |
29 |
2.1. Кофакторы ферментов ............................................................................ |
30 |
2.2. Механизмы действия ферментов............................................................ |
33 |
2.3. Кинетика ферментативных реакций ...................................................... |
35 |
2.4. Ингибиторы ферментов .......................................................................... |
37 |
2.5. Регуляция действия ферментов .............................................................. |
42 |
Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков |
|
(Е.С. Северин, С.А. Силаева)...................................................... |
47 |
3.1. Строение нуклеиновых кислот ............................................................... |
47 |
3.2. Репликация (синтез ДНК) ...................................................................... |
56 |
4 |
Биологическая химия |
|
3.3. Репарация ошибок и повреждений ДНК ............................................... |
|
62 |
3.4. Биосинтез РНК (транскрипция)............................................................. |
|
65 |
3.5. Трансляция (биосинтез белка) ................................................................ |
|
69 |
3.6. Ингибиторы матричных биосинтезов .................................................... |
|
76 |
3.7. Регуляция биосинтеза белков ................................................................. |
|
80 |
3.8. Механизмы генетической изменчивости. |
|
|
Полиморфизм белков. Наследственные болезни..................................... |
|
85 |
3.9. Образование белков иммунной системы................................................ |
|
88 |
3.10. Использование ДНК-технологий в медицине...................................... |
|
91 |
Раздел 4. Биологические мембраны (Е.С. Северин, Е.В. Осипов) |
.......97 |
|
Раздел 5. Общие аспекты регуляции (Е.В. Осипов) ........................... |
105 |
|
Раздел 6. Биологическое окисление (Е.В. Осипов) |
............................ |
117 |
Раздел 7. Общий путь катаболизма (Т.Л. Алейникова) ..................... |
127 |
|
7.1. Основные этапы общего пути катаболизма.......................................... |
|
127 |
7.2. Цитратный цикл .................................................................................... |
|
131 |
7.3. Регуляция общих путей катаболизма.................................................... |
|
134 |
7.4. Амфиболическое значение общего пути катаболизма......................... |
137 |
|
7.5. Гипоэнергетические состояния............................................................. |
|
138 |
Раздел 8. Обмен углеводов (Т.Л. Алейникова) ..................................... |
|
139 |
8.1. Основные углеводы пищи. Строение, переваривание......................... |
139 |
|
8.2. Трансмембранный перенос глюкозы |
|
|
и других моносахаридов в клетки ......................................................... |
|
145 |
8.3. Метаболизм глюкозы в клетках ............................................................ |
|
149 |
8.4. Метаболизм гликогена .......................................................................... |
|
151 |
8.5. Регуляция метаболизма гликогена........................................................ |
|
158 |
8.6. Катаболизм глюкозы ............................................................................. |
|
168 |
8.7. Синтез глюкозы (глюконеогенез)......................................................... |
|
180 |
8.8. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы................................. |
|
196 |
Раздел 9. Обмен липидов (С.А. Силаева) .............................................. |
|
201 |
9.1. Строение основных липидов организма .............................................. |
|
201 |
9.2. Переваривание липидов........................................................................ |
|
202 |
СодержаниеРаздел 1. Белки. Структура и функции |
5 |
9.3. Всасывание продуктов гидролиза липидов .......................................... |
205 |
9.4. Ресинтез экзогенных ТАГ в клетках слизистой |
|
кишечника и их транспорт по крови.................................................... |
206 |
9.5. Эндогенный синтез жиров в период пищеварения.............................. |
209 |
9.6. Ожирение............................................................................................... |
216 |
9.7. Использование жиров в качестве источника энергии ......................... |
219 |
9.8. Синтез и использование кетоновых тел ............................................... |
224 |
9.9. Метаболизм эйкозаноидов.................................................................... |
228 |
9.10. Обмен холестерола............................................................................... |
233 |
Раздел 10. Метаболизм азотсодержащих соединений |
|
(Т.Л. Алейникова, С.А. Силаева)............................................ |
245 |
10.1. Метаболизм аминокислот ................................................................... |
245 |
10.2. Биосинтез аминокислот ...................................................................... |
252 |
10.3. Катаболизм аминокислот.................................................................... |
253 |
10.4. Обмен аммиака .................................................................................... |
258 |
10.5. Трансметилирование и метаболизм одноуглеродных фрагментов .... |
264 |
10.6. Обмен фенилаланина и тирозина ....................................................... |
269 |
10.7. Декарбоксилирование аминокислот и метаболизм биогенных аминов .274 |
|
10.8. Обмен нуклеотидов.............................................................................. |
275 |
Раздел 11. Интеграция метаболизма |
|
(Т.Л. Алейникова, С.А. Силаева, Е.В. Осипов) ..................... |
289 |
11.1. Компартментализация и регуляция метаболических путей............... |
289 |
11.2. Сахарный диабет.................................................................................. |
298 |
11.3. Регуляция водно-солевого обмена...................................................... |
304 |
11.4. Регуляция обмена кальция и фосфатов .............................................. |
309 |
Раздел 12. Обезвреживание метаболитов и обмен |
|
чужеродных соединений в печени (Е.В. Осипов)............ |
313 |
Раздел 13. Биохимия крови (Е.В. Осипов)............................................ |
327 |
Раздел 14. Биохимия соединительной ткани (Е.В. Осипов)............. |
343 |
Алфавитный указатель............................................................................ |
362 |
Список сокращений
Са2+ |
— |
катион(ы) кальция, ион(ы) |
|
|
кальция: ионизированный |
|
|
(свободный) кальций |
Сl– |
— |
анион(ы) хлора |
FAD |
— |
флавинадениндинуклеотид |
FMN |
— |
флавинмононуклеотид |
Н+ |
— |
ион(ы) водорода, протоны |
Нb |
— |
гемоглобин |
НbСО |
— |
карбоксигемоглобин |
НbО2 |
— |
гемоглобин |
|
|
оксигенированный |
[К+] |
— |
концентрация ионов калия |
LT |
— |
leucotrienes, лейкотриены |
MetHb |
— |
метгемоглобин |
Na+ |
— |
катион(ы) натрия |
[Na+] |
— |
концентрация ионов натрия |
NAD |
— |
никотинамидаденин |
|
|
динуклеотид |
NADP |
— |
никотинамидадениндинукле- |
|
|
отидфосфат |
NO |
— |
оксид азота (NO), вырабаты- |
|
|
ваемый в эндотелии фактор |
|
|
релаксации (вазодилатации) |
НТФ |
— |
нуклеозидтрифосфаты |
раСО2 |
— |
парциальное напряжение |
|
|
двуокиси углерода |
|
|
в артериальной крови |
рСО2 |
— |
парциальное давление |
|
|
двуокиси углерода |
PG |
— |
prostaglandins, простагландины |
Pi (H3PO4) — |
фосфат неорганический |
|
рО2 |
— |
парциальное давление |
|
|
кислорода |
PPi (H4P2O7)— |
пирофосфат неорганический |
|
SAГ |
— |
S-аденозилгомоцистеин |
SAM |
— |
S-аденозилметионин |
АД |
— |
артериальное давление |
АДГ |
— |
антидиуретический гормон |
|
|
(вазопрессин) |
АДФ |
— |
аденозиндифосфорная |
|
|
кислота, аденозиндифосфаты |
АКТГ |
— |
адренокортикотропный |
|
|
гормон |
АЛТ |
— |
аланинаминотрансфераза |
АМФ |
— |
аденозинмонофосфат |
цАМФ |
— |
циклический аденозин-3', |
|
|
5'-монофосфат |
апоЛП |
— |
аполипопротеин |
АПФ |
— |
ангиотензин-превращающий |
|
|
фермент |
ACT |
— |
аспартатаминотрансфераза |
AT |
— |
антитело, антитела |
АТФ |
— |
аденозинтрифосфорная |
|
|
кислота |
АТФ-аза — |
аденозинтрифосфатаза |
|
АЦ |
— |
аденилатциклаза |
АХАТ |
— |
ацетил-КоА- |
|
|
холестеролацилтрансфераза |
ГАМК |
— |
γ-аминомасляная кислота |
ГДФ |
— |
гуанозиндифосфат |
ГМК |
— |
гладкомышечная клетка |
ГМФ |
— |
гуанозинмонофосфат |
6
Список сокращений |
|
|
7 |
||
ГПЭТЕ |
— |
гидропероксидэйкозатетрое- |
ПФ |
— |
пиридоксальфосфат |
|
|
ноаты |
ПЦР |
— |
полимеразная цепная реакция |
ГТ |
— |
глутатионтрансфераза |
ПЯЛ |
— |
полиморфно-ядерные |
ГТФ |
— |
гуанозинтрифосфат |
|
|
лейкоциты |
ГЭТЕ |
— |
гидроксиэйкозатетроеноаты |
РНК |
— |
рибонуклеиновая кислота |
Д |
— |
дальтон (после числового |
мРНК |
— |
матричная РНК |
|
|
значения) |
рРНК |
— |
рибосомная РНК |
ДАГ |
— |
диацилглицеролы |
тРНК |
— |
транспортная РНК |
ДНК |
— |
дезоксирибонуклеиновая |
РНР |
— |
рибонуклеотидредуктаза |
|
|
кислота |
РЭС |
— |
ретикулоэндотелиальная |
ДОФА |
— |
диоксифенилаланин |
|
|
система |
ДФФ |
— |
диизопропилфторфосфат |
СТГ |
— |
соматотропный гормон |
ЖКТ |
— |
желудочно-кишечный тракт |
ТАГ |
— |
триацилглицеролы |
ИЛ |
— |
интерлейкин, интерлейкины |
ТДФ |
— |
тиаминдифосфат |
ИМФ |
— |
инозинмонофосфат |
ТТГ |
— |
тиреотропный гормон |
ИФ3 |
— |
инозитолтрифосфат |
УДФ |
— |
уридиндифосфат |
ИФН |
— |
интерферон, интерфероны |
УМФ |
— |
уридинмонофосфат |
кД |
— |
килодальтон |
УТФ |
— |
уридинтрифосфат |
КК |
— |
креатинкиназа |
УФО |
— |
ультрафиолетовое облучение |
КоА |
— |
кофермент (коэнзим) А |
ФАФС — |
3-фосфоаденозин-5- |
|
KoQ |
— |
кофермент (коэнзим) Q |
|
|
фосфосульфат |
ЛХАТ |
— |
лецитинхолестеролацил |
ХМ |
— |
хиломикроны |
|
|
трансфераза |
ХС |
— |
холестерол |
МАГ |
— |
моноацилглицеролы |
ЭХС |
— |
эфиры холестерола |
МАО |
— |
моноаминооксидаза |
ЦДФ |
— |
цитидиндифосфат |
ОПК |
— |
общий путь катаболизма |
ЦМФ |
— |
цитидинмонофосфат |
мяРНП |
— |
малые ядерные |
ЦНС |
— |
центральная нервная |
|
|
рибонуклеопротеины |
|
|
система |
ПТГ |
— |
паратиреоидный гормон |
ЦПЭ |
— |
цепь переноса электронов |
ПКА |
— |
протеинкиназа А |
ЦТК |
— |
цикл трикарбоновых кислот, |
ПКС |
— |
протеинкиназа С |
|
|
цикл Кребса |
ПОЛ |
— |
перекисное окисление |
ЦТФ |
— |
цитидинтрифосфат |
|
|
липидов |
ЭР |
— |
эндоплазматический |
ПОМК |
— |
проопиомеланокортин |
|
|
ретикулум |
Предисловие
Биологическая химия является одной из фундаментальных дисциплин, обеспечивающих подготовку квалифицированного врача. Восприятие и усвоение биохимии зависит от учебной системы кафедры, в том числе от качества и стиля учебника.
Вданном учебнике авторы пытаются решить нелегкую задачу — создать краткий иллюстрированный, легкочитаемый учебник. Эти качества отличают учебник от других имеющихся в настоящее время. В последний период создан ряд превосходных учебников, но они, как правило, объемны и излишне подробны. Авторы ставили своей целью создание учебника, который бы не только соответствовал образовательному стандарту, но в то же время отвечал критерию минимальности и достаточности при обучении будущего врача.
Вданном учебнике 14 разделов, посвященных основным вопросам биологической химии. При изложении положений классической биохимии авторы стремились использовать минимальное количество формульного материала. Учебник знакомит студента также с новыми научными фактами и обобщениями. Так, в разделе, посвященном матричным биосинтезам, включены сведения по биоинженерии; описаны методы работы с генным материалом, в частности излагается метод полимеразной цепной реакции и его использование в диагностике различных болезней.
Основные разделы иллюстрированы цветными схемами и рисунками, благодаря чему достигается эффект наглядности, которая несомненно обеспечит легкость восприятия и запоминания даже непростого в изложении материала. Схемы процессов помогают создать понятную картину взаимодействия метаболических путей, их согласованности и регуляции. Подобное изложение предмета будет хорошей базой для дальнейшего обсуждения нарушений метаболизма как основных причин заболеваний.
Впроцессе представления материала авторы использовали сокращения, принятые в современной научной и учебной литературе.
Авторы надеются, что краткость содержания, доступность изложения и яркие иллюстрации сделают данный учебник полезным не только для студентов медицинских вузов, но также для медицинских работников широкого профиля.
Член-корреспондент РАН профессор Е.С. СЕВЕРИН
8
Раздел 1
Белки. Структура и функции
Белки или протеины количественно преобладают над всеми другими макромолекулами живой клетки. Белки участвуют во всех биологических процессах, выполняя разнообразные функции. По характеру выполняемых функций белки можно разделить на следующие группы:
ферменты; рецепторные белки; регуляторные белки; структурные белки; транспортные белки; защитные белки; сократительные белки.
Каждый белок имеет уникальную, свойственную лишь ему структуру и в такой же мере уникальную функцию, отличающуюся от функций других белков.
1.1. Структура белка
Белки — это высокомолекулярные соединения (полимеры), состоящие из α-аминокислот — мономерных звеньев, соединенных между собой пептидными связями. Все 20 аминокислот, встречающихся в белках, — это α-амино- кислоты, общим признаком которых является наличие аминогруппы – NН2 и карбоксильной группы — СООН у α-углеродного атома. Исключением является пролин, который содержит в α-положении группу — NH и называется иминокислотой. α-аминокислоты отличаются друг от друга структурой боковой цепи — радикала (R) и, следовательно, свойствами. Все аминокислоты можно разделить на группы на основе полярности боковых цепей, т.е. способности взаимодействовать с водой при биологических значениях рН (рис. 1.1 и табл. 1.1).
9
10 |
Биологическая химия |
α
NH3+ — CH — COO –
|
R
Рис.1.1. Общая структура аминокислот. R — боковая цепь
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
|
|
|
|
|
|
Свойства радикалов аминокислот |
|
|
|
|
|
|
||
1. НЕПОЛЯРНЫЕ (гидрофобные) R-группы. |
|
|
||
В группе R есть неполярные связи С-С, С-Н. |
|
|
||
|
|
|
|
|
Название |
Строение |
Название |
Строение |
|
аминокислоты |
R-группы |
аминокислоты |
R-группы |
|
Глицин |
–H |
Метионин Met, M |
–CH2 –CH2 –S –CH3 |
|
Gly, G |
|
|
|
|
Аланин |
–CH3 |
Фенилаланин |
CH2 |
|
Ala,A |
|
Phe, P |
||
|
|
|
|
|
Валин |
СН3 |
Триптофан |
CH2 |
|
Val, V |
–CH |
Trp, W |
|
N |
|
СН3 |
|
|
|
|
|
|
H |
|
Лейцин |
СН3 |
Пролин |
|
|
Leu, L |
–CH2 –CH2 |
|
N COOH |
|
|
СН3 |
Pro, P |
||
|
|
|
H |
|
Изолейцин |
СН3 |
|
|
|
Ile, I |
–CH |
|
|
|
|
СН2 — CH3 |
|
|
|
1. ПОЛЯРНЫЕ (гидрофильные) R-группы. |
|
|
||
В группе R есть полярные связи С-О, С-N, O-H, S-H. |
|
|
||
|
|
|||
а) Полярные незаряженные |
б) Полярные отрицательно заряженные |
|||
R-группы |
|
R-группы |
|
|
Серин |
–CH2 –OH |
Аспарагиновая |
–CH2 –COO- |
|
Ser, S |
|
кислота |
|
|
|
|
Asp, D |
|
|
Треонин |
–CH –CH3 |
Глутаминовая |
–CH2 –CH2 –COO- |
|
Thr, T |
| |
кислота |
|
|
|
OH |
Clu, E |
|
|