Добавил:
Richie
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Opornye-konsp-lektsij.pdf
Раздел I. Введение. Строение и функции белков
Лекция 1-3.
История развития, предмет и задачи биологической химии. Биохимия как молекулярный
уровень изучения явлений жизни. Мотивация изучения биохимии в медицинском ВУЗе.
Медицинская биохимия, её задачи.
Уровни структурной организации белковой молекулы. Первичная структура белков.
Зависимость биологических свойств от характера аминокислотной последовательности в
полипептидной цепи (HbA и HbS). Видовая специфичность первичной структуры и
антигенные свойства белков. Конформация пептидных цепей в белках: вторичная и
третичная структуры, связи, определяющие эти структуры. Зависимость функциональных
свойств белков от их конформации.
Высшая форма организации белковой молекулы - четвертичная структура. Кооперативные
изменения конформации протомеров. Биологические функции белков. Способность к
специфическим взаимодействиям («узнавание») как основа функционирования всех
белков. Структурные белки. Самосборка многомолекулярных белковых структур на
примере коллагеновых волокон. Различия белкового состава органов. Изменения
белкового состава при онтогенезе и болезнях.
Краткая история и презентация кафедры
С момента образования Астраханского медицинского института в 1918 году основы
биохимии преподавались параллельно с физиологией и фармакологией на кафедре,
возглавляемой профессором Коганом Е.Н.
Самостоятельная кафедра биологической химии в АГМИ основана в 1930 году
Кроме биологической химии на кафедре преподавались другие химические
дисциплины:
с 1946 органическая (до 1988 года) и физколлоидная (до 1950 года) химия.
В 1993 году начата работа по постдипломной подготовке врачей на тематических
курсах усовершенствования. В 1996 году введены занятия по клинической
биохимии на 6 курсе.
В 1997 была сформирована клинико-диагностическая лаборатория.
В 1998 году кафедра была переименована (- с курсом КЛД) и в том же году были
введены интернатура и специализация по клинической лабораторной диагностике.
В настоящее время на кафедре есть все виды последипломной подготовки
специалистов, включая ординатуру и аспирантуру.
Основные вопросы:
Мотивация изучения биохимии в медицинском вузе
Медицинская биохимия, ее задачи
Белки – основа жизненных процессов
Функции белков
Структура белков
Взаимосвязь структуры и функции
Новые термины
ПРОТЕОМ- весь набор белков, присутствующих в определенной клетке, при
определенных условиях и в определенный момент
ФОЛДИНГ – процесс сворачивания белков
ШАПЕРОНЫ -
АНТИГЕННЫЕ ДЕТЕРМИНАНТЫ -
ЛИГАНД -
Биологическая химия, как следует из самого названия (bios – жизнь), является
химией жизни или химией живой материи
История биохимии как науки началась, по существу, только в конце XVIII века
параллельно с бурным развитием химии и на ее открытиях.
1770 – 1774 гг. – Пристли открыл О
2
и показал, что он выделяется растениями и
поглощается животными.
1780 – 1789 гг. – Лавуазье показал, что дыхание – это окисление.
1783 г – Спалланцани доказал, что переваривание пищи – химический процесс, а не
механический.
1828 г. – Велер синтезировал мочевину - первое органическое вещество из неорганических
компонентов.
1850 1855 гг. - Бернар выделил гликоген из печени.
1889 г. – Мишер открыл ДНК
1890 г. - Гофмейстер впервые закристаллизовал яичный белок
1902 г. – Фишер и Гофмейстер показали, что белки являются полипептидами.
Этот далеко не полный перечень открытий способствовал появлению нового научного
направления.
Термин «Биохимия» впервые употребил Нейберг в 1903 году.
Несмотря на то, что корнями биохимия уходит в органическую химию и физиологию, она
является самостоятельной наукой со своим предметом и методами исследования.
Предметом биохимии является изучение химического состава, структуры, превращения
веществ и энергии в организме.
Главная задача биохимии – определение взаимосвязи молекулярной структуры и
биологической функции, т.е. каким образом неживые молекулы поддерживают живое
состояние и обеспечивают его воспроизведение.
XXI век международным научным сообществом был объявлен веком биологии и
информатики
«Воплощение в жизнь научной истины в законах наследственности избавит
человечество от многих скорбей и горя»
И.П.Павлов
В последнее время стали чрезвычайно актуальными новые области науки – геномика,
транскриптомика, протеомика, которые позволяют проводить практически полное
исследование любой биологической системы
Геномика включает в себя работы по расшифровке (секвенированию) и
классифицированию геномов все живых существ. Картографирование и анализ всех
генов позволят, прежде всего, провести сравнение их друг с другом.
Транскриптомика заключается в выявлении и расшифровке мРНК и позволяет
выявить транскрибируемые (работающие) гены и создавать профили экспрессии генов
(транскриптомные карты) на различных этапах жизнедеятельности того или иного
организма, при развитии различных патологических состояний и т.д.
Целью протеомики, науки о белках, является инвентаризация белков и их анализ.
Термином «протеом» обозначают весь набор белков, присутствующих в определенной
клетке, при определенных условиях и в определенный момент.
Для медицины и диагностики заболеваний определение состояния белков в клетке
— чрезвычайно важно, так как заболевание может быть инициировано (вызвано)
любыми внешними факторами, но его подлинная причина связана с неправильным
функционированием того или иного белка.
Практически все функции организма напрямую или опосредованно сопряжены с
наличием определенных белков тканей или крови. Когда ошибка закодирована в
геноме, ее последствия проявляются на уровне белка, а не на уровне самого гена.
Известно, как минимум, 10 основных функций белков:
- каталитическая (белки-ферменты, обуславливающие биохимические реакции в
клетках и в пищеварительном тракте);
- структурная (белки опорных тканей и соединительнотканной основы - коллаген,
эластин, кератин и др)
- энергетическая (до25% поступающих и освобождающихся при катаболизме
белков используются на энергетические цели)
- транспортная (белки крови – гемоглобин, трансферрин, альбумин и др.)
- сократительная (актин, миозин)
- дыхательная (гемоглобин, миоглобин, белки – ферменты тканевого дыхания)
- регуляторная (белки-гормоны, например, инсулин и рецепторные белки,
встроенные в мембраны клеток-мишеней)
- резервная (белки мышц, крови,печени)
- защитная (белки системы свертывания крови и иммунной системы)
- антигенная (защита генетической самости или индивидуальности за счет
уникальной поверхностной архитектоники белка)
Установление функции - самая трудная задача в исследованиях, посвященных впервые
обнаруженным белкам. Такие белки часто называют “новыми”, что относится только к
имевшимся до того знаниям и никоим образом – к природе выявленных белков, так как в
организме могут синтезироваться только те белки, информация о которых заложена в
генетическом фонде.
Посттрансляционная модификация
Синтезированные белки после выхода с рибосом для правильного функционирования
должны укладываться в стабильные трехмерные структуры и оставаться такими на
протяжении всей функциональной жизни.
- Поддержание структуры белка осуществляется шаперонами, специальными
белками, катализирующими укладку полипептидов.
-Сборка полипротеинов и укладка мультибелковых комплексов, также
осуществляется шаперонами.
-Шапероны связываются с гидрофобными участками неправильно уложенных
белков и помогают им свернуться и достигнуть стабильной нативной структуры и,
тем самым, предотвращают их включение в нерастворимые и нефункциональные
агрегаты.
Функция зависит от пространственной конформации
(упаковки полипептидной цепи) с формированием центра связывания или активного
центра белковой молекулы, способной специфично связываться с лигандом по принципу
стехиометрического соответствия.
Связи, стабилизирующие третичную структуру:
электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно
заряженные ионогенные группы (ионные связи);
водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами;
гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами;
дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные.
Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными
для правильного скручивания молекулы. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.
Фибриллярные белки играют структурную роль
Раздел II. ФЕРМЕНТЫ
Лекция 4. История развития учения о ферментах. Роль ферментов в метаболизме. Особенности
ферментативного катализа. Специфичность действия ферментов. Различия ферментного состава
органов и тканей. Изоферменты. Изменения ферментного состава при онтогенезе и болезнях.
Наследственные энзимопатии.
Лекция 5. Основы ферментативной кинетики: зависимость скорости ферментативных реакций
от различных факторов (температуры, pH среды, концентрации субстрата и фермента).
Единицы измерения активности и количества ферментов. Изменение активности ферментов
при болезнях.
История биохимии во многом история изучения ферментов. Ван-Гельмонт (1600 г.),
Спаланцани (1783 г.), Кирхгоф (1814 г.), Манассеина (1871 г.), Бюхнер (1887 г.) и т.д.
Ферменты (энзимы) – большой класс белков клеток и тканей организма, выполняющих
роль биологических катализаторов. Они обладают всеми физико-химическими свойствами
белков.
Термины: энзимология, энзимодиагностика, энзимотерапия.
Ферменты, как катализаторы, с одной стороны, имеют основные характеристики
неорганических катализаторов, с другой, - отличительные свойства. Это высокая
эффективность, специфичность действия и регулируемость. Следует отметить ферменты
проявляют высокую эффективность в недопустимых для неорганического катализатора
условиях: при низкой температуре и в присутствии воды.
Главные виды специфичности действия ферментов: абсолютная (один фермент – один
субстрат) и относительная специфичность (общий участок связывания у группы веществ с
активным центром фермента, например, пептидная связь у белков).
Номенклатура и классификация ферментов.
Строение ферментов и распределение в клетках.
Понятия: холофермент, апофермент, кофактор, кофермент, коэнзим.
Строение активного центра: контактный участок и каталитический центр.
Варианты (простейшие, организованные, структурно-организованные) и биологической смысл
формирования мультиферментных систем.
Изоферменты, примеры, определение в биологических жидкостях и тканях с диагностической
целью.
Факторы, влияющие на кинетику ферментативных реакций. Константа Михаэлиса. Наибольшее
практическое значениев кинетике ферментативных реакций имеет представление скорости
реакции как функции концентраций субстрата и фермента.
Лекция 6. Механизм действия ферментов. Комплементарность структуры субстрата и активного
центра фермента - суть специфичности действия ферментов. Роль конформационных
изменений при катализе. Полифункциональный катализ. Роль кофакторов ферментов в
образовании фермент-субстратного комплекса.
Теории механизма действия ферментов: Фишера и Кошланда.
Значение разных теорий катализа для объяснения эффектов взаимодействия фермента
с субстратом. В основе всех теорий механизма действия ферментов лежит образование
фермент-субстратного комплекса.
Ферменты ускоряют реакции за счет уменьшения энергии активации.
Последовательная цепь событий по изменению энергии укладывается в постулат
теории промежуточных соединений: суммарное изменение энергии активации
последовательных этапов образования фермент-субстратного комплекса (1- взаимодействие в
контактом участке, 2- замыкание связей, в т.ч. ковалентных, в каталитическом центре –
образование напряженного комплекса, его преобразование в комплекс фермент-продукт)
ниже энергии активации прямой реакции.
Этот эффект достигается изменением электронной плотности и геометрической
деформацией напряженного комплекса, что и способствует снижению активационного барьера
переходного состояния.
Понятие о полифункциональном и кислотно-основном катализе.
Лекция 7. Регуляция действия ферментов. Механизмы ингибирования и активирования:
аллостерические, фосфорилирование-дефосфорилирование. Ингибиторы ферментов:
обратимые и необратимые; конкурентные и неконкурентные, естественные и синтетические.
Ферменты как лекарственные препараты. Иммобилизованные ферменты.
Аллостерический центр фермента представляет собой место связывания с
регуляторными эффекторами, имеющими наибольшее значение в поддержании
метаболической активности клетки. Аллостерическому эффекту наиболее подвержены
ферменты с четвертичной структурой (аллостерические ферменты), имеющие большую
скорость реализации воздействия эффектора. Изменение стерической конфигурации всех
субъединиц молекулы фермента приводит к изменению конформации их активных
центров, в конечном счете к активации или ингибированию действия фермента.
Ингибирование обратимое (конкурентное, неконкурентное) и необратимое. Примеры.
За время использования иммобилизованных ферментов в научной, производственной и
лечебной практике предлагалось несколько способов иммобилизации от механического
нанесения на повязку до включения в полимеры, липосомы и инкапсулирование.
Последние два варианта имеют развитие для фомирования лекарственных средств с
адресной доставкой.
Раздел III. ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. БИОХИМИЯ ПИТАНИЯ. ВИТАМИНЫ
Лекция 8. Обмен веществ: питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма. Основные
пищевые вещества, их частичная взаимозаменяемость, незаменимые компоненты пищевых
веществ. Понятие о центральных и специфических путях метаболизма.
О. В. в живом организме – сложный многокомпонентный процесс для поддержания жизни,
состоящий из основных этапов:
- поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания), переваривание
сложных веществ в ЖКТ и всасывание продуктов распада и транспорт их к тканям
- перемещение и превращение исходных веществ в собственные вещества тканей
(промежуточный обмен)
- образование конечных продуктов обмена и выделение их из организма
Поступление веществ в организм и выделение продуктов метаболизма в совокупности
составляют обмен веществами между внешней средой и организмом
Роль каждого из этапов
I – Поступление питат. в-в и их дезинтеграция
а) защита генетич. Индивидуальности организма
б) упрощение структуры экзогенных в-в для включения их в промежут. обмен
I I – Промежуточный обмен (метаболизм)
а) обеспечивает обмен между организмом и внешней средой веществами и энергией
б) обеспечивает рост, обновление тканей, самовоспроизведение и др. жизненные Ф.
I I I – Образование конечных продуктов и их выведение
а) выведение избытка радикалов, соединений, способных вызвать токсический эффект
Организм взрослого здорового человека находится в стационарном состоянии,
т. е. его масса сохраняется постоянной. Это значит, что масса потребляемых веществ равна
массе выделяемых за то же время веществ. Общая масса органических веществ в теле человека
составляет около 25 кг (больше половины из них приходится на белки).
Ежедневное потребление органических веществ с пищей равно примерно 0,6 кг; следовательно,
человек потребляет ту же массу органических веществ, что имеется в его теле, за 40-50 дней.
Схема катаболизма основных пищевых веществ – углеводов, жиров, белков
(аминокислот). Связь между обменными путями катаболизма и цепи переноса
протонов и электронов. Соотношение понятий энергетического обмена, биологического
окисления и тканевого дыхания.
В метаболизме (включая обмен энергии) выделяют два взаимосвязанных, но
разнонаправленных процесса: анаболизм и катаболизм
Понятия:
Энергетический обмен
Биологическое окисление
Тканевое дыхание
АНАБОЛИЗМ -
Ферментативный
синтез клеточных
Компонентов из
простых предшествен-
ников с потреблением
энергии
КАТАБОЛИЗМ –
Ферментативное
расщепление с обра-
зованием более
мелких молекул и
Выделением
Свободной энергии
Совокупность всех процессов потребления живым организмом из окружающей среды
веществ и энергии и выделение эквивалентного количества энергии и веществ в среду
называется обменом веществ и энергии.
Биологическое окисление – это процесс дегидрирования субстрата с помощью
промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора.
Распад органических веществ в живых тканях, сопровождающийся потреблением
кислорода и выделением диоксида углерода, называют тканевым дыханием.
У зеленых растений энергия поступает в организм и улавливается в виде квантов света.
Такие организмы создают органические вещества из неорганических путем синтеза и
называются аутотрофами. Другие нуждаются в уже готовых органических веществах и
называются гетеротрофами. Энергия в них поступает в виде энергии химических связей
органических веществ пищи. Между аутотрофами и гетеротрофами существует тесная связь.
Аутотрофы в хлоропластах восстанавливают СО
2
в сложные органические соединения с
использованием воды и с высвобождением кислорода. Сложные органические соединения
в гетеротрофах превращаются в простые, попадают в кровь и в клетки тканей. В
митохондриях они расщепляются в цикле Кребса и окисляются в дыхательной цепочке
(тканевое дыхание) при участие кислорода, поступившего при дыхании. В результате
образуется энергия, которая запасается в виде АТФ. В цикле Кребса также образуется СО
2
, а
в дыхательной цепочки – вода. Вода и СО
2
, выделенные животными, используются
растениями для образования органических веществ в процессе фотосинтеза.
Катаболизм – ферментативный процесс расщепления органических молекул (белков,
нуклеиновых кислот, жиров, углеводов) до конечных продуктов: СО
2
, Н
2
О и мочевины.
Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзэргонические реакции).
Анаболизм – ферментативные биосинтетические процессы, в которых простые молекулы
соединяются в сложные, необходимые для организма. В анаболических реакциях
используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндэронические реакции).
Цикл Кребса протекает в митохондриях и состоит из 8 реакций.
Его роль: 1. энергетическая (в нем образуется 12 молекул АТФ); 2. в нём сходятся все
метаболические пути организма (обмен углеводов, жиров, белков); 3. в результате работы
цикла происходит взаимопревращение веществ (углеводы превращаются в жиры, белки в
углеводы).
В 3, 4, 8 реакциях образуется по 3 молекулы АТФ, в 6-й реакции -2 молекулы АТФ, а в
5-й реакции -1 молекула АТФ. В 3, 4, 6, 8 реакциях АТФ образуется в процессе
окислительного фосфорилирования, а в 5 - в процессе субстратного фосфорилирования.
Ацетил-КоА + оксалоацетат
↓1 цитратсинтаза
цитрат
↓ 2
цис-аконитат
↓2 аконитаза
изоцитрат
НАД
+
→ ↓ 3 изоцитратдегидрогеназа НАДН2→ЦПЭ + 3 АТФ
α-кетоглутарат
НАД
+
→↓4 α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс + НАДН
2
→ЦПЭ + 3 АТФ
сукцинил-КоА
↓5 сукцинатсинтетаза+ 1 АТФ
сукцинат
ФАД
+
→ ↓6 сукцинатдегидрогеназа НАДН2→ЦПЭ + 2 АТФ
фумарат
↓7 фумараза
малат
НАД
+
→ ↓8 малатдегидрогеназа НАДН2→ЦПЭ + 3 АТФ
оксалоацетат + ацетил-КоА
Цикл Кребса работает с определенной скоростью, которая зависит от потребностей
клетки в энергии, т.е. в молекулах АТФ. Скорость регулируется концентрацией
оксалоацетата, активностью цитрат-синтазы и НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы.
Аллостерическим ингибитором цитрат-синтазы является АТФ. При увеличении его
концентрации уменьшается образование цитрата.
Основной регуляторный фермент цикла Кребса – аллостерический фермент НАД-
зависимая изоцитратдегидрогеназа. Его активатор – АДФ, ингибитор – АТФ.
Основной субстрат цикла Кребса – это ацетил-КоА, который может образовываться во
многих катаболических процессах организма – окислении глюкозы, высших жирных кислот,
белков.
Цикл Кребса поставляет протоны водорода через НАД- и ФАД-зависимые
дегидрогеназы в цепь дыхательных ферментов, в которой в результате этого образуются
молекулы АТФ. Такая связь осуществляется в 3, 4, 6, и 8 реакциях.