И. Э. Егорова, А. И. Суслова, В. И. Бахтаирова биохимия. Краткий курс
 Скачать 1.92 Mb.
|
|
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 2 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 3 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 1.4 Регуляция активности ферментов…………………………….......................... 11 1.5 Ферменты в медицине и фармации……………………………....................… 13 1.6. Тестовые задания................................................................................................ 15 2. Витамины…………………………………………………………….................. 17 2.1 Водорастворимые 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 3.3 Свободное 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 4.3 Распад 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 4 7.4 Азотистые вещества мочи. Аминоацидопатии…………………..................... 83 7.5. Тестовые задания…………………………………………................................. 83 Эталоны ответов к тестовым заданиям…………………………...................... 86 Рекомендуемая литература……………………………………......................... 87 5 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 6 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. 7 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. E 1 Е 2 Е 3 Е 4 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 (СО 2 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 10 8 – 10 11 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 10 4 – 10 6 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, 8 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 1 Тиаминпирофосфат В 1 (тиамин) Декарбоксилирование - кетокислот 2 2 НАД – никотинамид- адениндинуклеотид РР (никотинат) Перенос Н 3 3 НАДФ – НАД-фосфат –//– –//– 3 4 ФМН – флавинмононук- леотид В 2 (рибофлавин) –//– 3 5 ФАД – флавинаденин- динуклеотид –//– –//– 3 6 КоQ (убихинон) –– –//– 7 7 Липоевая кислота –– –//– 8 8 Пиридоксальфосфат В 6 (пиридоксин) Перенос NH 2 , декарбоксилирование 9 Кофермент Витамин Основная функция 9 9 Биотин Н (биотин) Присоединение СО 2 1 10 Тетрагидрофолат Фолиевая кислота Перенос С 1 1 11 КоА – кофермент ацилирования Пантотеновая кислота Перенос ацилов 1 12 Кобаламины В 12 (кобаламины) Перенос С 1 , изомеризация 1 13 ГЕМ –– Перенос электронов 1 14 Нафтогидрохиноны К (нафтогидрохиноны) -карбоксилирование 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 окислительно- восстановительные 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 10 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 ЛДГ 1 ЛДГ 2 ЛДГ 3 ЛДГ 4 ЛДГ 5 Изоферменты ЛДГ различаются по электрофоретической подвижности. Это позволило установить их тканевую принадлежность. ЛДГ 1 имеет самую высокую активность в сердечной мышце, ЛДГ 5 – в печени и скелетных мышцах, другие изоформы активны в других органах. |