Биохимия

Курс посвящен теоретическим аспектам биохимии и призван нарисовать общую картину основных биохимических процессов. В ограниченном по времени курсе удается рассмотреть структуру и свойства основных классов биомолекул (аминокислот, белков, углеводов, липидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот), и проследить пути их превращений и синтеза. Кроме того, обсуждается строение биологических мембран и виды транспорта через нее биомолекул, а также строение дыхательной цепи и образование молекул АТР в результате окислительного фосфорилирования. В заключении курса рисуется общая схема метаболических превращений и их пересечений.

Курс предназначен для студентов III-го курса зоологического отделения (кафедры: зоология позвоночных, зоология беспозвоночных, ихтиология, энтомология, антропология, биологическая эволюция). Курс читается в VI (весеннем) семестре два раза в неделю по 1,5 часа (48 академических часов).

Виноградов Андрей Дмитриевич

Лектор - доцент кафедры биохимии, к.б.н. М.В. Медведева

Время проведения: Курс читается в VI (весеннем) семестре два раза в неделю по 1,5 часа (48 академических часов).
Продолжительность курса: 24 лекции(48 академических часов)
Форма отчетности: Экзамен
Альтернативный курс: курс биохимии для ботанических кафедр (лектор – С.Н. Егоров, каф. Молекулярной биологии)

Программа курса
Вопросы к экзамену

Программа курса:

Вводная часть

Биохимия – как основа всех молекулярно-биохимических и физиологических дисциплин.

«Статическая биохимия» - часть биохимии, изучающая структуру и функции основных веществ в составе клетки (вода, аминокислоты, пептиды и белки, сахариды и полисахариды, жирные кислоты и липиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, витамины и их активные формы), а также основные подходы к исследованию этих соединений. Кроме того, включает рассмотрение строения биологических мембран и транспорт веществ через них, а также принципы передачи сигнала из внеклеточного пространства внутрь клетки (биосигнализация).

«Динамическая биохимия» рассматривает вопросы, касающиеся метаболизма веществ - их катаболизм, анаболизм и общую схему пересечения основных метаболических путей.

Строение воды и ее основные свойства. Буферные растворы.

Полярность молекулы воды. Водородные связи, образуемые между молекулами воды и между молекулами воды и другими веществами. Растворимость в воде. Понятие гидрофильных и гидрофобных соединений.

Другие слабые взаимодействия: ионные, гидрофобные, ван-дер-ваальсовы.
Ионизация воды и константа равновесия реакции ионизации. Ионное произведение воды. Понятие рН. Кислые и щелочные значения рН. Значение величины рН в биохимии.
Ионизация сильных и слабых кислот и щелочей. Константа диссоциации слабых кислот и оснований. Понятие рКа.
Кривые титрования слабых кислот и оснований. Буферная область.
Понятие буфера. Основные свойства буферных растворов. Уравнение Хендерсона-Хассельбаха.
Роль буферных систем в поддержании рН в биологических системах.
Фосфатная, бикарбонатная, аммонийная буферные системы. Буферные свойства аминокислоты гистидина, входящего в состав белков.

Аминокислоты

Природные аминокислоты. Различные классификации аминокислот. Непротеиногенные (небелковые) аминокислоты, их биологическая роль. Протеиногенные (белковые) стандартные аминокислоты и их биологическая роль. Основные принципы различных способов классификации стандартных белковых аминокислот. Трехбуквенные и однобуквенные обозначения аминокислот. Селеноцистеин и пирролизин. Протеиногенные нестандартные аминокислоты (6-N-метиллизин, γ-карбоксиглутаминовая кислота, 3- и 4-гидроксипролин, 5-гидроксилизин, цистин, десмозин). Функции белковых аминокислот.

Физико-химические свойства аминокислот. Стереохимические свойства аминокислот, L- и D-аминокислоты. Роль L- и D- аминокислот. Оптические свойства аминокислот, спектры поглощения и флуоресценции аминокислот. Химические свойства аминокислот: кислотно-основные (амфотерные) свойства, ионизация аминокислот, кривые титрования и расчет заряда аминокислот в зависимости от рН среды, изоэлектрическая точка аминокислот и ее расчет, исходя из значений рК ионизируемых групп.

Методы разделения аминокислот, основанные на их физико-химических свойствах: распределительная хроматография и высоковольтный электрофорез на бумаге, ионообменная хроматография на пластинах и высокоэффективная жидкостная хроматография высокого давления, основанная на ионных и гидрофобных свойствах аминокислот. Основные методы идентификации аминокислот (нингидриновая реакция, реакция дансилирования, реакция с динитрофторбензолом).

Пептиды

Пептиды. Олигопептиды. Природа пептидной связи, ее образование, структурные и химические особенности. N- и С- концевые аминокислотные остатки. Химические свойства пептидов; кривые титрования пептидов и их заряд. Разделение пептидов. Природные биологически активные пептиды (антибиотики, гормоны, карнозин и анзерин). Глутатион: структура, биологическая роль. Биодобавки (аспартам).

Белки

Современные представления об уровнях структурной организации белков.

  1. 1. Первичная структура белка и методы ее определения. Определение аминокислотного состава белка. Денатурация и фрагментация белка. Разделение пептидов и определение их аминокислотной последовательности. Определение N- и С-концевых остатков пептидов. Составление пептидных карт (метод отпечатков пальцев). Консервативные и гомологичные последовательности аминокислот в белках. Связь между первичной и высшими структурными организациями белков.

  2. 2. Вторичная структура белка: упорядоченные (α-спираль, β-слой, β-изгиб) и неупорядоченные структуры полипептидных цепей. Природа взаимодействий, обеспечивающих формирование вторичной структуры белка. Роль остатков глицина и пролина в структурной организации белков.

  3. 3. Надвторичная структура. Белковые мотивы, домены и модули, теории конвергентной эволюции и модульной конструкции.

  4. 4. Третичная структура белка. Формирование нативной структуры белка (фолдинг белков). Природа взаимодействий, обеспечивающих формирование третичной структуры белка («слабые» связи: водородные, ионные, ван-дер-ваальсовые, гидрофобные взаимодействия; ковалентные дисульфидные связи). Конформационная подвижность белка. Нативная структура белка. Денатурация белка (обратимая и необратимая), опыты Анфинсена.

    Молекулярные шапероны (белки теплового шока): их классификация, строение, принцип действия и биологическая роль.
    Убиквитин и его биологическая роль. Убиквитинилирование. Строение и функции протеасом.
    Болезни, вызванные нарушением нативной структуры белков. Прионы как белковые инфекционные частицы. Амилоидозы и связанные с ними нейродегенеративные заболевания (болезнь Паркинсона, Альцгеймера и др.).

  5. 5. Четвертичная структура белка. Протомеры, олигомеры: гомомеры и гетеромеры, димеры, тетрамеры и т.п. Природа взаимодействий, обеспечивающих формирование четвертичной структурны белка («слабые» связи: водородные, ионные, ван-дер-ваальсовы; гидрофобные взаимодействия; ковалентные дисульфидные связи). Функции четвертичной структуры белка.

  6. 6. Надмолекулярные белковые структуры (надмолекулярные комплексы), понятие метаболона.

Сравнительная биохимия и эволюция белков.

Физико-химические свойства белков (молекулярная масса, субъединичный состав, форма молекулы, растворимость, изоэлектрическая точка, гидрофобные свойства, термостабильность и термолабильность). Обратимая и необратимая денатурация белка, ренатурация. Методы разделения и очистки белков, основанные на их физико-химических свойствах (термообработка, изоэлектрическое осаждение, высаливание, обработка органическими растворителями; колоночная хроматография (ионообменная (катионообменная и анионообменная), аффинная, гель-хроматография), электрофорез, изоэлектрофокусирование, двумерный электрофорез). Протеомика как наука и ее роль в диагностических целях. Методы определения молекулярной массы белка. Получение высокоочищенных препаратов белков и критерии их гомогенности.

Различные способы классификации белков: простые и сложные, глобулярные, фибриллярные и мембранные, растворимые и нерастворимые. Классификация белков, основанная на их биологических функциях.

Простые и сложные белки. Классификация сложных белков: гликопротеины, липопротеины, хромопротеины (гемопротеины и флавопротеины), нуклеопротеины, фосфопротеины, металлопротеины).

Глобулярные и фибриллярные белки.

Классификация белков, основанная на их биологических функциях.

  1. 1. Каталитическая функция - ферменты.
  2. 2. Транспортная функция.
  3. 3. Структурная функция.
  4. 4. Защитная функция.
  5. 5. Сократительно-двигательная функция.
  6. 6. Регуляторная функция.
  7. 7. Питательная функция.
  8. 8. Белки, участвующие в передаче генетической информации и экспрессии белков.
  9. и т.д.

Структурные (фибриллярные) белки- α- и β-кератины, коллаген, эластин, фиброин): строение, сходства и различия, биологическая роль.

Миоглобин и гемоглобин как примеры глобулярных гемопротеинов: структура, свойства, сходства и различия, биологическая роль. Факторы, влияющие на связывание кислорода.

Ферменты

Ферменты как биологические катализаторы; их отличия от неорганических катализаторов, химическая природа (абзимы, рибозимы). Обратимость и специфичность (абсолютная, относительная) ферментативного катализа. Общие представления о строении фермента, активном и аллостерических центрах. Модели жесткого и индуцированного соответствия активного центра фермента и субстрата. Односубстратные и двусубстратные реакции. Простые и сложные ферменты, апо- и холоферменты, кофакторы, коферменты и простетические группы.

Общие представления о катализе. Энергетическая диаграмма реакции, переходное состояние, энергия активации и ее снижение в результате действия фермента. Типы катализа (общий и специфический кислотно-основной катализ, ковалентный нуклеофильный и электрофильный катализ, согласованный катализ, катализ ионами металлов). Влияние катализатора на константу скорости химической реакции (на диффузионный, активационный и энтропийный факторы) и на равновесие реакции.

Некоторые ионы, являющиеся кофакторами ферментов.

Влияние величины рН и температуры на активность фермента (на скорость ферментативной реакции).

Основные представления о кинетике ферментативных реакций. Образование фермент-субстратного комплекса. Скорость ферментативной реакции; начальная скорость реакции. Активность фермента и число оборотов фермента. Приближения и допущения Михаэлиса. Стационарное приближение при рассмотрении ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Бриггса-Холдейна и его преобразования. Физический смысл константы Михаэлиса. Максимальная скорость ферментативной реакции. Способы регуляции активности фермента (изменение количества фермента, изменение скорости работы фермента). Изостерическая регуляция. Аллостерическая регуляция Активаторы и ингибиторы ферментов. Типы ингибирования ферментов: необратимое и обратимое (конкурентное, неконкурентное, смешанное, бесконкурентное), полное и неполное, ингибирование субстратом и продуктом реакции. Ковалентная модификация ферментов. Ферменты, не подчиняющиеся кинетике Михаэлиса.

Изоферменты и множественные формы фермента.

Международная классификация ферментов. Основные классы ферментов и типы реакций, катализируемых ими. Коферменты, участвующие в катализируемых реакциях. I. Оксидоредуктазы. II. Трансферазы III. Гидролазы. IV. Лиазы. V. Изомеразы. VI. Лигазы.

Углеводы

Классификация углеводов и их биологическая роль.

Моносахариды: классификация, строение. Стереохимические свойства углеводов, L- и D-стереоизомеры. Оптическая активность моносахаридов. Циклические формы моносахаридов (пиранозные и фуранозные формы) на примере глюкозы и фруктозы, рибозы и дезоксирибозы; α- и β-формы. Таутомерные формы. Мутаротация, рацемическая смесь. Конформационные формы глюкопиранозы («лодка» и «кресло»). Реакционная способность моносахаридов и их химические свойства; восстанавливающие свойства моносахаридов. Окисление моносахаридов до кислот: альдоновые, уроновые и альдаровые кислоты. Восстановление моносахаридов до многоатомных спиртов (сорбит, маннит, инозит). Важнейшие представители моносахаридов, их свойства и биологическая роль: триозы (глицеральдегид и гидроксиацетон), тетрозы (эритроза, треоза), пентозы (рибоза, рибулоза, ксилулоза) и их дезоксипроизводные (дезоксирибоза); гексозы (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза); гептозы (седогептулоза); глюкозамины, маннозамины, галактозамины и их N-ацетилпроизводные; мурамовая и N-ацетилмурамовая кислоты; N-ацетилнейраминовая (сиаловая) кислота.

О- и N-гликозидные связи, гликозиды.

Дисахариды (мальтоза, изомальтоза, сахароза, лактоза и целлобиоза): строение, свойства, биологическая роль.

Олигосахариды.

Полисахариды: способы классификации (по источнику, по структуре, по функциям) и химическое строение. Гомополисахариды: гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин - общие и специфические свойства, биологическая роль. Нередуцирующий и редуцирующий конец полисахарида. Представления о «первичной, вторичной и более высоких уровнях организации» полисахаридов. Гетерополисахариды (агар (агароза и агаропектин), гиалуроновая кислота, гепарин): строение, биологическая роль.

Гликопротеины, протеогликаны: структура, биологическое значение.

Понятия «гликирование» и «гликозилирование».
Лектины – белки, распознающие углеводы в клетке и участвующие во многих клеточных процессах.

Липиды

Общая характеристика липидов.

Биологические функции липидов.
Классификация липидов.

1. Неомыляемые липиды.

1.1.Жирные кислоты: номенклатура, структура, насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты (миристиновая, пальмитиновая, стеариновая, арахиновая, пальмитоолеиновая, олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая, ω3 и ω6 жирные кислоты), цис- и транс-ненасыщенные жирные кислоты. Свойства и биологическая роль жирных кислот. Производные арахидоновой кислоты – эйкозаноиды (простагландины, тромбоксаны, лейкотриены), их биологическая роль.

1.2. Производные изопрена

1) Пренольные липиды (терпены):

  1. - каротиноиды (витамины группы А),
  2. - токоферолы (витамины группы Е),
  3. - нафтохиноны (витамин группы К),
  4. - убихинон.

Структура, свойства, биологическая роль.

2) Циклические изопреноиды (стероидные липиды).

  1. - стерины (стеролы): холестерин и эфиры холестерина (как пример омыляемых липидов).
  2. - стероиды - стероидные гормоны (эстрогены, андрогены, глюко- и минералокортикоиды, прогестерон и их производные)
  3. - секостероиды - витамин D2 и D3 и их производные
  4. - желчные кислоты и их производные

Структура, свойства и биологическая роль.

  1. 2. Омыляемые липиды.
  2. 2.1. Простые липиды:
  3. 1) Производные глицерина – глицеролипиды (нейтральные жиры) (моно-, ди- и триацилглицериды): структура, свойства и биологическая роль.
  4. 2) Производные сфингозина - церамиды: структура, свойства и биологическая роль.
  5. 3) Воска: структура, свойства и биологическая роль.
  6. 2.2. Сложные липиды:
  7. Фосфолипиды:
  8. 1) Производные глицеринаглицерофосфолипиды (фосфатидная кислота, фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозитол, плазмалогены, кардиолипин): структура, физико-химические свойства, полиморфизм в водных растворах, биологическая роль.
  9. 2) Производные сфингозинасфингофосфолипиды (сфингомиелины): структура, свойства, биологическая роль.


Гликолипиды:

Производные сфингозина - гликосфинголипиды

  1. - цереброзиды: галактозилцереброзиды и глюкозилцереброзиды
  2. - глобозиды
  3. - ганглиозиды
  4. - сульфатиды

Структура, свойства, биологическая роль.

Липиды как сигнальные вещества, кофакторы и пигменты.
Липидомика – наука, занимающаяся классификацией липидов и их функций. Понятие «липидом».
Методы разделения и очистки липидов.

Биологические мембраны

Функции биологических мембран.

Структура биологических мембран.

Липидный состав биологических мембран. Жирнокислотный состав мембранных липидов. Физико-химические свойства двухслойной фосфолипидной мембраны (подвижность молекул, проницаемость). Химическая гетерогенность фосфолипидов мембраны. Специфичность фосфолипидного состава биологических мембран. Роль холестерина в структуре мембраны.

Мембранные белки и их роль в построении и функционировании мембран: амфитропные, периферические и интегральные белки, их двумерная диффузия в мембранах. Типы интегральных мембранных белков.

Асимметрия биологических мембран. Динамическая жидкостно-мозаичная модель биологических мембран Сингера-Никольсона и факторы, обуславливающие подвижность мембраны. Движение липидов и белков в бислое мембраны.

Рафты и кавеолы, их биологическая роль

Избирательная проницаемость биологических мембран. Поры, каналы (аквапорины, лиганд- и потенциал-зависимые ионные каналы), переносчики. Формы транспорта веществ через мембрану: унипорт, симпорт и антипорт, простая диффузия, облегченная диффузия (пассивный транспорт) и активный транспорт (первичный, вторичный); транспортеры (переносчики и ионные каналы). Транспортные АТРазы Р-типа (Na+/K+-, Ca2+-, H+/K+-АТРазы), F-типа (Fo,F1-АТРаза). Аквапорины.

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды

Пуриновые и пиримидиновые основания, нуклеозиды и нуклеотиды: строение, свойства, роль в метаболизме. Дезоксирибонуклеотиды.

Мононуклеотиды: строение и биологическая роль. Физико-химические свойства АТР – универсального источника энергии в биологических системах, соединения с высоким потенциалом переноса фосфорильного остатка. Адениловые нуклеотиды АТР, АDР и АМР: их строение, биологическая роль, взаимопревращения (адениловая система). Аденилаткиназная реакция. Нуклеозидмоно- и дифосфаткиназные реакции.

Роль гуаниновых, цитозиновых и урациловых нуклеотидов в метаболизме.

Циклические нуклеотиды (сАМР и сGМР): строение, свойства, образование и распад в клетке, биологическая роль.

Динуклеотиды (NAD+, NADP+, FAD): строение и биологическая роль.

Роль нуклеотидов в построении нуклеиновых кислот - РНК и ДНК. Состав нуклеиновых кислот: азотистые основания и их связь в молекулах ДНК и РНК. Комплементарные пары нуклеотидов; правила Чаргаффа. Роль водородных связей в формировании структуры ДНК и РНК. Сходства и различия ДНК и РНК по структуре и функциям. Двойная спираль Уотсона-Крика. Другие упорядоченные структуры нуклеиновых кислот. Суперспирализация ДНК. Роль гистонов упаковке ДНК. РНК и её биологическая роль.

Метаболизм углеводов

Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте: переваривание в полости рта; гидролиз углеводов в тонком кишечнике; пристеночное пищеварение в энтероцитах. Ферменты, участвующие в переваривании углеводов. Гидролиз углеводов в толстой кишке. Пути всасывания углеводов в кишечнике. Транспорт глюкозы в клетки: инсулинозависимые тирозиновые рецепторы, белки-транспортеры глюкозы.

Судьба всосавшейся глюкозы в клетках (гликолиз, пентозофосфатный путь, синтез гликогена).

Гликолиз. Общая характеристика гликолиза и его две стадии: подготовительная и окислительно-восстановительная.

Первая (подготовительная) стадия гликолиза.

  1. 1) Фосфорилирование глюкозы: гексокиназная реакция, изоформы фермента в мышцах и печени (сходство и различие, регуляция, значение существования изоформ).
  2. 2) Глюкозо-6-фосфатизомеразная реакция и её значение.
  3. 3) Фосфофруктокиназная реакция фосфорилирования фруктозо-6-фосфата, регуляция активности фермента.
  4. 4) Образование триозофосфатов в реакции альдольного расщепления: изоформы альдолазы.
  5. 5) Изомеризация триозофосфатов: основные свойства фермента. Пути превращения дигидроксиацетонфосфата (взаимосвязь углеводного и липидного обменов).
  6. Вторая стадия гликолиза.
  7. 1) Реакция гликолитической оксидоредукции. Строение активного центра глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (ГАФД) и механизм катализируемой реакции, ингибирование фермента. NAD+ как кофермент реакции: строение, восстановление, переносимые группы.
  8. 2) Фосфоглицераткиназная реакция - первая реакция субстратного фосфорилирования; сопряжение реакций, катализируемых ГАФД и фосфоглицераткиназой (теория метаболонов).
  9. 3) Фосфоглицератмутазная реакция: механизм, 2,3-бис-фосфоглицериновая кислота как кофермент реакции и её образование.
  10. 4) Образование фосфоенолпирувата (ФЕП) - соединения с высоким потенциалом переноса фосфорильной группы в енолазной реакции.
  11. 5) Пируваткиназная реакция - вторая реакция субстратного фосфорилирования в гликолизе; основные свойства и регуляция активности пируваткиназы, изоформы фермента.

Дальнейшая судьба пирувата (общая схема).

Лактатдегидрогеназная реакция: реокисление NADH вне митохондрий, изоформы фермента. Ацидоз.

Гликолитическая оксидоредукция (реакции, катализируемые ГАФД и лактатдегидрогеназой).
Полный стехиометрический баланс гликолиза в анаэробных и аэробных условиях. Образование АТР в ходе гликолиза.

Вовлечение гликогена и различных гексоз в первую стадию гликолиза. Образование фосфорных производных моносахаридов как первый этап их превращения: галактозы в глюкозо-1-фосфат, маннозы и фруктозы во фруктозо-6-фосфат, фруктозы во фруктозо-1-фосфат (в печени); ферменты, участвующие в образовании фосфорных производных моносахаров. Дальнейшее вовлечение фосфорных производных моносахаридов в гликолиз.

Обратимые и необратимые реакции гликолиза. Биологическая роль необратимых реакций гликолиза. Классы ферментов, катализирующих реакции гликолиза.

Глюконеогенез - образование глюкозы из неуглеводных предшественников.

Обходные пути необратимых реакций гликолиза при образовании глюкозы:

  1. 1) Образование ФЕП из пирувата через оксалоацетат. Образование оксалоацетата в митохондриях: пируваткарбоксилазная реакция и биотин как кофермент реакции карбоксилирования (структура биотина и механизм реакции). Челночный механизм переноса оксалоацетата из митохондрий в цитоплазму (дикарбоксилатная транспортная система). Декарбоксилирование оксалоацетата в цитоплазме с образованием ФЕП как пример металлзависимого декарбоксилирования; фосфоенолпируваткарбоксикиназа.
  2. 2) Образование фруктозо-6-фосфата из фруктозо-1,6-бис-фосфата; фруктозо-1,6-бис-фосфатаза.
  3. 3) Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата в печени и почках; глюкозо-6-фосфатаза.

Общая схема глюконеогенеза. Стехиометрическое уравнение синтеза глюкозы из пирувата и/или молочной кислоты. Биологическая роль глюконеогенеза.

Цикл Кори (цикл молочной кислоты) - образование в печени и почках глюкозы из молочной кислоты; его биологическое значение.
Взаимосвязь гликолиза и глюконеогенеза с другими метаболическими путями. Регуляция гликолиза и глюконеогенеза.
Гликогенолиз – анаэробный распад гликогена.

  1. 1) Фосфоролиз гликогена; гликогенфосфорилаза: механизм реакции, основные свойства фермента и способы его регуляции в печени и в скелетных мышцах; фосфорилирование гликогенфосфорилазы – формы «a» и «b», их взаимопревращение; аллостерическая регуляция фермента АМР в мышцах и глюкозой в печени. Регуляция распада гликогена ионами Са2+.
  2. 2) Деветвление гликогена: гликогендеветвящий фермент и катализируемые им глюкантрансферазная и α-1,6-глюкозидазная реакции.
  3. 3) Фосфоглюкомутаза: катализируемая реакция, глюкозо-1,6-бис-фосфат как кофермент реакции.

Физиологическая роль расщепления гликогена в печени и мышцах. Стехиометрическое уравнение гликогенолиза. Сравнение энергетической эффективности гликогенолиза и гликолиза.

Синтез гликогена. Активация глюкозы с образованием UDP-глюкозы; глюкозо-1,6-бис-фосфат как кофермент глюкозо-1-фосфат-уридилтрансферазной реакции.

  1. 1) Гликогенсинтаза: катализируемая реакция, регуляция фермента путем фосфорилирования. Роль гликогенина в синтезе гликогена.
  2. 2) Ветвление гликогена: гликогенветвящий фермент, образование α-1,6-гликозидных связей, биологический смысл ветвления.

Гормональная регуляция обмена гликогена.

Адреналин (в мышцах и печени): химическая природа, физиологическая роль. Строение β-адренергических рецепторов. G-белки (Gs и Gi): строение, биологическая роль, механизм действия. Аденилатциклаза (АЦ); образование сАМР, его биологическая роль как вторичного мессенджера; фосфодиэстераза (ФДЭ) и ее биологическая роль. сАМР-зависимая протеинкиназа (ПК А): строение, аллостерическая регуляция, биологическая роль. Киназа фосфорилазы: строение, двойная регуляция фермента (с помощью фосфорилирования и ионами Са2+), активация гликогенфосфорилазы «b» и ингибирование гликогенсинтазы. Способы завершения действия адреналина.

Понятия реципрокной регуляции и регуляторного каскада, их биологическое значение.

Глюкагон (в печени): химическая природа, синтез, физиологическая роль. Два регуляторных каскада, запускаемых глюкагоном в печени: сАМР-зависимый и через фруктозо-2,6-бис-фосфат - аллостерический регулятор активности ферментов гликолиза и глюконеогенеза. Фосфофруктокиназа-2 - как пример бифункционального фермента, обладающего киназной и фосфатазной активностями. Способы завершения действия глюкагона. Биологическая роль двойной регуляции уровня глюкозы в печени.

Инсулин: химическая природа, синтез, физиологическая роль. Рецепторы инсулина и механизм передачи гормонального сигнала.

Пути образования и превращений глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфат как центр пересечения путей превращения углеводов.

Пентозофосфатный путь превращения глюкозы (прямое окисление глюкозы): биологическая роль. Окислительная стадия: последовательность химических реакций, суммарное уравнение. Неокислительная стадия: биологическое значение, последовательность реакций, трансальдолазы и транскетолазы. Общая схема пентозофосфатного пути, связь с гликолизом и другими метаболическими путями. Стехиометрическое уравнение пентозофосфатного пути. Роль пентозофосфатного пути в эритроцитах.

Классы ферментов, катализирующих реакции пентозофосфатного пути.

Пируват как центр пересечения путей превращения углеводов.
Спиртовое брожение и его биологическое значение.

  1. 1) Пируватдекарбоксилазная реакция (механизм) и тиаминпирофосфат (ТПФ) как кофермент реакции декарбоксилирования.
  2. 2) Алкогольдегидрогеназная реакция: образование этанола и реокисление NADH вне митохондрий. Судьба этанола в печени и эпителии желудка.

Классы ферментов, катализирующих реакции спиртового брожения.

Окисление пирувата до ацетил-СоА - первая стадия дыхания. Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК-комплекс) как мультиферментная система: ферменты (в том числе и регуляторные) и коферменты (тиаминпирофосфат (ТПФ), липоевая кислота, кофермент А, FАD, NAD+) ПДГ-комплекса, пространственная сборка.

  1. 1) Пируватдегидрогеназная реакция. ТПФ как кофермент окислительного декарбоксилирования.
  2. 2) Дигидролипоилацетилтрансферазная реакция. Коферменты реакции: липоевая кислота и ацетилкофермент А. Образование ацилтиоэфира.
  3. 3) Дигидролипоилдегидрогеназная реакция. Коферменты реакции (FAD и NAD+).

Регуляция ПДГ-комплекса через регуляторные ферменты – киназу пируватдегидрогеназы (ПДГ) и фосфатазу фосфоПДГ (прямая и непрямая регуляция). Природа необратимости превращения пирувата в ацетил-СоА. Суммарное уравнение реакций, катализируемых ПДГ-комплексом.

Классы ферментов ПДГ-комплекса.

Реакции образования восстановительных эквивалентов в гликолизе и ПДГ.

Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса): локализация, общая схема и последовательность реакций. Классы ферментов ЦТК.

  1. 1) Образование цитрата и основные свойства цитратсинтазы.
  2. 2) Образование изоцитрата и основные свойства аконитазы.
  3. 3) Изоцитратдегидрогеназная реакция как пример Ме-зависимого декарбоксилирования (1-е декарбоксилирование в цикле Кребса): основные свойства изоцитратдегидрогеназы и ее регуляция.
  4. 4) α-Кетоглутаратдегидрогеназный (α-КДГ) комплекс (2-е декарбоксилирование в цикле Кребса (тиаминпирофосфатзависимое, окислительное)). Сходства и различия ПДГ- и α-КДГ комплексов.
  5. 5) Сукцинил-СоА-синтетазная реакция как пример реакции субстратного фосфорилирования (другие примеры субстратного фосфорилирования); основные свойства фермента.
  6. 6) Сукцинатдегидрогеназная реакция: локализация и основные свойства фермента, FAD как кофермент реакции.
  7. 7) Гидратация фумарата, основные свойства фумаразы.
  8. 8) Малатдегидрогеназная реакция: обратимость реакции, ее направление в клетке, кофермент NAD+.

Обратимые и необратимые реакции цикла Кребса.

Регуляция цикла Кребса. Общая стехиометрия цикла Кребса и окислительного декарбоксилирования пирувата. Субстратное обеспечение цикла Кребса (анаплеротические реакции) и его взаимосвязь с другими метаболическими путями. Биологическая роль цикла Кребса.

Глицерофосфатная транспортная система переноса восстановительных эквивалентов из цитоплазмы в митохондрии (глицерофосфатный челнок). Малат-аспартатная транспортная система переноса восстановительных эквивалентов из цитоплазмы в митохондрии (малат-аспартатный челнок).

Метаболизм липидов

Переваривание липидов в желудочно-кишечном тракте. Расщепление нейтральных жиров в ротовой полости и желудке у взрослых и детей; липазы. Расщепление нейтральных жиров в двенадцатиперстной кишке: нейтрализация НСl, эмульгирование жиров. Желчные кислоты (холевая, дезоксихолевая, хенодезоксихолевая), парные желчные кислоты (гликохолевая, таурохолевая) и их соли; роль желчи в переваривании жиров (эмульгирование жиров, образование мицелл, активация панкреатической липазы). Панкреатическая липаза: основные свойства и пути активации. Схема расщепления триглицеридов. Схема расщепления фосфолипидов в кишечнике, роль фосфолипазы А2 и лизофосфолипазы в этом процессе. Расщепление эфиров холестерина с помощью холестеринэстеразы.

Всасывание моноглицеридов, остатков фосфолипидов, жирных кислот, глицерина, холестерина и солей желчных кислот в эпителиальные клетки кишечника (свободное всасывание и всасывание в виде смешанных мицелл).

Ресинтез нейтральных липидов в кишечной стенке и его биологическое значение; β-моноглицеридный путь (в гладком эндоплазматическом ретикулуме) и α-глицерофосфатный путь (в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме). Ресинтез фосфолипидов (как в других тканях, см. ниже) и эфиров холестерина.

Транспорт липидов из кишечника в органы и ткани.

Образование хиломикронов в эпителиальных клетках кишечника, их строение и выведение в кровяное русло. Основные белки, входящие в состав хиломикронов, их роль. Транспорт липидов в кровеносной системе. Липопротеинлипазы. Судьба хиломикронов в кровяном русле и остатка хиломикрона в печени.

Липопротеины плазмы крови: липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеины промежуточной плотности (ЛППП), липопротеины низкой плотности (ЛПНП), липопротеины высокой плотности (ЛПВП) и их роль в переносе триглицеридов, холестерина и его эфиров из печени к другим тканям, и в переносе холестерина из периферических тканей в печень. Этерификация холестерина. Белки липопротеинов различной плотности.

Жировая ткань и ее участие в обмене липидов. Распад триглицеридов в тканях на жирные кислоты и глицерин - тканевой липолиз, три-, ди-, моноацилглицеринлипазы. Гормональная регуляция тканевого липолиза - липолитический каскад.

Судьба глицерина, образовавшегося при расщеплении липидов; включение глицерина в гликолитические реакции.
Источники жирных кислот в периферических тканях.
Транспорт жирных кислот в крови и в цитоплазме клетки.

Окисление жирных кислот.

  1. 1) Активация жирных кислот, ацил-СоА-синтетаза.
  2. 2) Транспорт жирных кислот из цитоплазмы в митохондрии (схема
  3. транспорта), роль карнитина в этом процессе, ацилкарнитин (основные свойства соединения); карнитинацилтрансферазы I (регуляция фермента) и II.
  4. 3) Окислительный распад жирных кислот (β-окисление):

    последовательность реакций и ферменты, их катализирующие (ацил-СоА-дегидрогеназа, еноил-СоА-гидротаза, 3-гидроксиацил-дегидрогеназа, тиолаза: основные свойства ферментов, их классы, коферменты).

    Стехиометрическое уравнение и энергетическая эффективность β-окисления жирных кислот. Сходство реакций β-окисления жирных кислот и цикла Кребса.

    Окисление жирных кислот в пероксисомах.

Судьба ацетил-СоА.

Причины образования кетоновых тел (ацетоацетат, β-гидроксибутират и ацетон) в матриксе митохондрий клеток печени и биологическое значение этого процесса. Синтез кетоновых тел: последовательность реакций, ферменты, их катализирующие (кетоацил-СоА-тиолаза и деацилаза; гидроксиметил-глутарил-СоА-синтаза, гидроксиметил-глутарил-СоА-лиаза, β-гидроксибутиратдегидрогеназа), коферменты. Утилизация кетоновых тел. Содержание кетоновых тел как физиологический показатель.

Регуляция окисления жирных кислот и образования кетоновых тел.

Распад фосфолипидов в тканях: фосфолипазы А1, А2, С и D; активация фосфолипаз А2 и С в мембране. Фосфорилирование фосфатидилинозитола, образование двух вторичных мессенджеров - диацилглицерола (ДАГ) и инозитол-1,4,5-трис-фосфата (PIP2) под действием фосфолипазы С. Фосфоинозитидный каскад.

Пути увеличения концентрации Са2+ в цитоплазме (поступление ионов Са2+ в цитоплазму извне клетки, из эндоплазматического ретикулума и кальциосом), роль PIP2 в этом процессе. Са2+-регуляция. Активация протеинкиназы С под действием ДАГ и ионов Са2+. Биохимические и физиологические ответы на повышение уровня Са2+ и активацию протеинкиназы С. Кальмодулин (КМ): строение, биологическая роль. Са2+-КМ-зависимая протеинкиназа и ее биологическая роль.

Биосинтез жирных кислот. Источники ацетил-СоА и NADPH для синтеза жирных кислот. Образование пирувата из малата в адипоцитах: малик-фермент и его кофермент NADP+.

  1. 1) Челночный механизм переноса ацетильных групп из митохондрий в цитоплазму (цитрат-малат-пируватный челнок).
  2. 2) Образование малонил-СоА: ацетил-СоА-карбоксилаза (кофермент, регуляция активности фермента). Синтазная система образования жирных кислот, строение мультиферментного комплекса.
  3. 1) Ацилпереносящиий белок (АПБ): структура, основные свойства.
  4. 2) Последовательность реакций:
  5. 2.1) присоединение ацетильной группы к остатку цистеина β-кето-АПБ-синтазы (малонил-ацетил-КоА-АПБ-трансфераза);
  6. 2.2) присоединение малонил-СоА к SH-группе АПБ (малонил-ацетил-КоА-АПБ-трансфераза));
  7. 2.3) конденсация с образованием ацетоацетильной группы (β-кетоацил-АПБ-синтаза);
  8. 2.4) восстановление ацетоацетил-АПБ (β-кетоацил-АПБ-редуктаза);
  9. 2.5) дегидратация β-гидроксиацил-АПБ (β-гидроксиацил-АПБ-дегидратаза);
  10. 2.6) восстановление двойной связи (еноил-АПБ-редуктаза);
  11. 2.7) перенос бутирильной группы на SH-группу β-кетоацил-АПБ-синтазы (кетоацил-АПБ-синтаза).

Наращивание цепи и завершение цикла. Стехиометрическое уравнение синтеза жирных кислот. Общие принципы синтеза длинных и ненасыщенных жирных кислот. Регуляция синтеза жирных кислот и их окисления. Сходства и различия между синтезом и окислением жирных кислот. Классы ферментов синтеза жирных кислот.

Синтез нейтральных жиров в организме: синтез фосфатидной кислоты, синтез триацилглицеридов.

Синтез фосфолипидов (2 стратегии синтеза).
Синтез холестерина: образование мевалоната из ацетилКоА, фосфорилирование мевалоната с образованием активированных изопренов (изопентенилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата), образование скванена, образование циклической молекулы холестерина.
Внутриклеточная локализация метаболизма липидов.

Метаболизм аминокислот

Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте: в ротовой полости, желудке, тонком кишечнике. Роль НСl в переваривании белков. Понятие зимогенов, протеолитические ферменты (пепсин, трипсин, химотрипсин, аминопептидазы, карбоксипептидазы), их активация и специфичность. Всасывание аминокислот и их перенос из кишечника в кровяное русло.

Распад тканевых белков. Различные классы протеиназ (сериновые, цистеиновые, аспартильные, металлозависимые). Распад белков в лизосомах; катепсины. Распад белков в протеосомах, и роль убиквитина в этом процессе. Ограниченный протеолиз белков – одна из форм посттрансляционной модификации (образование инсулина). Апоптоз клеток и роль каспаз в этом процессе.

Транспорт аминокислот в клетку.

Пути метаболического превращения (образования и распада) аминокислот в тканях.

Типы дезаминирования аминокислот.

  1. 1. Прямое неокислительное дезаминирование серина, треонина, цистеина и гистидина.
  2. Прямое окислительное дезаминирование.
  3. 1.1. Оксидазы L- и D-аминокислот (глициноксидаза)
  4. 1.2. Окислительное дезаминирование глутамата. Глутаматдегидрогеназа: свойства и регуляция фермента, обратимость катализируемой реакции, её коферменты и роль в метаболизме аминокислот.
  5. 2. Непрямое дезаминирование аминокислот (трансаминирование):
  6. 2.1. Трансаминазы, механизм реакции, кофермент реакции пиридоксальфосфат (структура и роль в превращении аминокислот), роль α-кетоглутарата в процессе трансаминирования.

Свойства аммиака, пути его образования и результаты токсического действия.

Детоксикация аммиака:

Восстановительное аминирование в глутаматдегидрогеназной реакции. Транспортные системы переноса аммиака из периферических тканей в печень и почки; роль аминокислот (глутамина, аспарагина и аланина) в этом процессе. Глюкозо-аланиновый цикл.

Конечные продукты обмена азота и 3 способа их выведения из организма: аммониотелия, уреотелия и урикотелия.

Синтез мочевины (цикл мочевины) - конечного продукта обмена азотистых соединений у млекопитающих: последовательность и локализация химических реакций; ферменты, катализирующие синтез мочевины; суммарное уравнение, энергетическая цена процесса, регуляция, биологическая роль.

Пути превращения углеродных скелетов аминокислот: через пируват и ацетил-СоА, через ацетил-СоА без образования пирувата, через α-кетоглутарат, сукцинил-СоА, фумарат и оксалоацетат; их включение в цикл Кребса. α-Кетокислоты - продукты распада аминокислот. Гликогенные и кетогенные аминокислоты.

Декарбоксилирование аминокислот (пиридоксальфосфатзависимое декарбоксилирование); механизм реакции. Образование биогенных аминов (триптамин, серотонин, гистамин, катехоламины: дофамин, норадреналин, адреналин) и других биологически активных веществ (α-аминомасляная кислота). Роль декарбоксилированных производных аминокислот в метаболизме. Инактивация биогенных аминов под действием моноаминоксидаз.

Заменимые и незаменимые для млекопитающих аминокислоты. Общие представления о синтезе заменимых аминокислот (из α-кетокислот (α-кетоглутарата, оксалоацетата и пирувата), из других аминокислот, из промежуточных продуктов метаболизма). Образование незаменимых для млекопитающих аминокислот.

Биологическая роль отдельных аминокислот.

Алифатические аминокислоты: структура, свойства, биологическая роль.
Дикарбоновые аминокислоты: структура, свойства, роль в формировании структуры белка и участие в обмене веществ.
Положительно заряженные аминокислоты: структура, свойства и биологическая роль.
Кислородсодержащие аминокислоты: структура, свойства, биологическая роль.
Ароматические аминокислоты: структура, свойства, биологическая роль.
Серосодержащие аминокислоты: структура, свойства, биологическая роль. Образование S-аденозилметионина, его структура и биологическая роль.
Глицин: структура, свойства, роль в формировании структуры белка и участие в обмене веществ.
Амиды: структура и биологическое значение.

Современная теория тканевого дыхания. Источник энергии АТР - перенос электронов от субстратов на кислород Коферменты - продукты окислительно-восстановительных реакций (NAD+/NADH, NADP+/NADPH, FAD/FADH2, FMN/FMNH2) – универсальные акцепторы электронов.

Строение митохондрий. Локализация компонентов дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий. Строение дыхательной цепи: комплексы I-V. Генерация электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий (хемиосмотическая теория Митчелла); энергия электрохимического потенциала (протон-движущая сила). Окислительное фосфорилирование (электрохимическая теория сопряжения в окислительном фосфорилировании).

Синтез АТР в аэробных клетках: обратимая АТФ-синтаза (Н+-АТРаза), ее строение (комплексы F0 и F1) и механизм действия (механизм вращательного катализа). Баланс между синтезом АТР и транспортом электронов в дыхательной цепи. Стехиометрические уравнения окисления NADH и убихинона кислородом. Адениннуклеотид- и фосфаттранслоказы.

Энергетическая эффективность окисления глюкозы, жирных кислот и аминокислот.

Соединения с высоким потенциалом переноса групп: их синтез и биологическое значение. Концепция фосфорильного потенциала. «Богатые энергией» соединения и метаболические пути, в которых они встречаются:

  1. 1) фосфокреатин: образование и распад в организме, креатинкиназная реакция, физиологическая роль;
  2. 2) пирофосфат;
  3. 3) фосфоенолпируват;
  4. 4) 1,3-фосфоглицериновая кислота;
  5. 5) ацилфосфаты;
  6. 6) ацилтиоэфиры (ацил-СоА, ацетил-СоА),
  7. 7) UDP-глюкоза;
  8. 8) S-аденозилметионин;
  9. 9) ацилкарнитин.

АТР - универсальный источник энергии в биологических системах; пути синтеза и распада АТР в организме.

Роль фосфатных соединений в метаболизме.

Роль витаминов и их производных в метаболизме. Витамины как предшественники коферментов.

Водорастворимые витамины. Витамины группы В и их производные: В1 – тиамин → тиаминпирофосфат; В2 – рибофлавин → флавинмононуклеотид, флавинадениндинуклеотид; В3 - пантотеновая кислота → кофермент А; В6 – пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин → пиридоксальфосфат, пиридоксаминфосфат; В12 – кобаламин → 5’-дезоксиаденозил-кобаламин, метилкобаламин; Вс9) - фолиевая кислота → тетрагидрофолиевая кислота. Витамин РР - никотиновая кислота, никотинамид → никотинамидадениндинуклеотиды (NAD+, NADH, NADP+, NADPH). Витамин Н – биотин → биоцитин. Витамин С - аскорбиновая кислота. (Формулы выделенных курсивом витаминов знать наизусть не обязательно).

Жирорастворимые витамины. Витамин А - ретинол → ретиналь (ретиноиды); витамин Д1 и Д2) – кальциферолы (эргокальциферол и холекальциферол) → 1,25-дигидроксихолекальциферол; витамин Е – токоферолы (α,β,γ,δ) →?; витамин К1 - филлохинон и К2 - менахинон) - нафтохиноны. Витамин F – группа ненасыщенных жирных кислот (арахидоновая, линоленовая, линолевая, олеиновая). (Формулы выделенных курсивом витаминов знать наизусть не обязательно).

Связь между обменом белков, липидов, углеводов. Общие промежуточные продукты этих метаболических процессов. Ацетил-СоА - универсальный интермедиат распада липидов, углеводов и белков: строение, образование, роль в обмене веществ. Пути образования и превращения пирувата, оксалоацетата, α-кетоглутарата, сукцинил-СоА, дигидроксиацетонфосфата, глицерина; их роль в метаболизме.

Рекомендуемая литература:

  1. 1. Нельсон Д.Л., Кокс М.М. Основы биохимии Ленинджера. М., Бином, 2011/2014, тт. 1, 2.
  2. 2. Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger principles of biochemistry. 2013.
  3. 3. Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger principles of biochemistry. 2008.
  4. 4. Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger principles of biochemistry. 2005.
  5. 5. Lehninger A.L., Nelson D.L., Cox M.M. Principles of biochemistry. N.-Y., 1993.
  6. 6. Ленинджер А. Основы биохимии. тт. 1-3, М., Мир, 1985.
  7. 7. Garret R.H., Grisham C.M. Biochemistry. 2005.
  8. 8. Вавилова Т.П., Медведев A.Е. Биологическая химия. Биохимия полости рта. М., Геотар. 2014
  9. 9. Биохимия. Учебник для ВУЗов под ред. Е.С. Северина, М., ГЭОТАР-Медиа, 2005.
  10. 10. Страйер Л. Биохимия. тт. 1-3, М., Мир, 1985.
  11. 11. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. М., Мир, 1993.
  12. 12. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М., Медицина, 1998.
  13. 13. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М., МАИК Наука/Интерпериодика, 2002.
  14. 14. Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М., Мир, 2000.

версия для печати
Страница последний раз обновлялась 19.04.2018