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).

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

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

- каротиноиды (витамины группы А),
- токоферолы (витамины группы Е),
- нафтохиноны (витамин группы К),
- убихинон.

Структура, свойства, биологическая роль.

2) Циклические изопреноиды (стероидные липиды).

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

Структура, свойства и биологическая роль.

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

Гликолипиды:

Производные сфингозина - гликосфинголипиды

- цереброзиды: галактозилцереброзиды и глюкозилцереброзиды
- глобозиды
- ганглиозиды
- 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 (F_o,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) Фосфорилирование глюкозы: гексокиназная реакция, изоформы фермента в мышцах и печени (сходство и различие, регуляция, значение существования изоформ).
2) Глюкозо-6-фосфатизомеразная реакция и её значение.
3) Фосфофруктокиназная реакция фосфорилирования фруктозо-6-фосфата, регуляция активности фермента.
4) Образование триозофосфатов в реакции альдольного расщепления: изоформы альдолазы.
5) Изомеризация триозофосфатов: основные свойства фермента. Пути превращения дигидроксиацетонфосфата (взаимосвязь углеводного и липидного обменов).
Вторая стадия гликолиза.
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.
2) Фосфоглицераткиназная реакция - первая реакция субстратного фосфорилирования; сопряжение реакций, катализируемых ГАФД и фосфоглицераткиназой (теория метаболонов).
3) Фосфоглицератмутазная реакция: механизм, 2,3-бис-фосфоглицериновая кислота как кофермент реакции и её образование.
4) Образование фосфоенолпирувата (ФЕП) - соединения с высоким потенциалом переноса фосфорильной группы в енолазной реакции.
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) 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) Образование фруктозо-6-фосфата из фруктозо-1,6-бис-фосфата; фруктозо-1,6-бис-фосфатаза.
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) 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) Деветвление гликогена: гликогендеветвящий фермент и катализируемые им глюкантрансферазная и α-1,6-глюкозидазная реакции.
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) Гликогенсинтаза: катализируемая реакция, регуляция фермента путем фосфорилирования. Роль гликогенина в синтезе гликогена.
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 (G_s и G_i): 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) Пируватдекарбоксилазная реакция (механизм) и тиаминпирофосфат (ТПФ) как кофермент реакции декарбоксилирования.
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) Пируватдегидрогеназная реакция. ТПФ как кофермент окислительного декарбоксилирования.
2) Дигидролипоилацетилтрансферазная реакция. Коферменты реакции: липоевая кислота и ацетилкофермент А. Образование ацилтиоэфира.
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) Образование цитрата и основные свойства цитратсинтазы.
2) Образование изоцитрата и основные свойства аконитазы.
3) Изоцитратдегидрогеназная реакция как пример Ме-зависимого декарбоксилирования (1-е декарбоксилирование в цикле Кребса): основные свойства изоцитратдегидрогеназы и ее регуляция.
4) α-Кетоглутаратдегидрогеназный (α-КДГ) комплекс (2-е декарбоксилирование в цикле Кребса (тиаминпирофосфатзависимое, окислительное)). Сходства и различия ПДГ- и α-КДГ комплексов.
5) Сукцинил-СоА-синтетазная реакция как пример реакции субстратного фосфорилирования (другие примеры субстратного фосфорилирования); основные свойства фермента.
6) Сукцинатдегидрогеназная реакция: локализация и основные свойства фермента, FAD как кофермент реакции.
7) Гидратация фумарата, основные свойства фумаразы.
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) Активация жирных кислот, ацил-СоА-синтетаза.
2) Транспорт жирных кислот из цитоплазмы в митохондрии (схема
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) Челночный механизм переноса ацетильных групп из митохондрий в цитоплазму (цитрат-малат-пируватный челнок).
2) Образование малонил-СоА: ацетил-СоА-карбоксилаза (кофермент, регуляция активности фермента). Синтазная система образования жирных кислот, строение мультиферментного комплекса.
1) Ацилпереносящиий белок (АПБ): структура, основные свойства.
2) Последовательность реакций:
2.1) присоединение ацетильной группы к остатку цистеина β-кето-АПБ-синтазы (малонил-ацетил-КоА-АПБ-трансфераза);
2.2) присоединение малонил-СоА к SH-группе АПБ (малонил-ацетил-КоА-АПБ-трансфераза));
2.3) конденсация с образованием ацетоацетильной группы (β-кетоацил-АПБ-синтаза);
2.4) восстановление ацетоацетил-АПБ (β-кетоацил-АПБ-редуктаза);
2.5) дегидратация β-гидроксиацил-АПБ (β-гидроксиацил-АПБ-дегидратаза);
2.6) восстановление двойной связи (еноил-АПБ-редуктаза);
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. Прямое неокислительное дезаминирование серина, треонина, цистеина и гистидина.

Прямое окислительное дезаминирование

1.1. Оксидазы L- и D-аминокислот (глициноксидаза)
1.2. Окислительное дезаминирование глутамата. Глутаматдегидрогеназа: свойства и регуляция фермента, обратимость катализируемой реакции, её коферменты и роль в метаболизме аминокислот.
2. Непрямое дезаминирование аминокислот (трансаминирование):
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) фосфокреатин: образование и распад в организме, креатинкиназная реакция, физиологическая роль;
2) пирофосфат;
3) фосфоенолпируват;
4) 1,3-фосфоглицериновая кислота;
5) ацилфосфаты;
6) ацилтиоэфиры (ацил-СоА, ацетил-СоА),
7) UDP-глюкоза;
8) S-аденозилметионин;
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; В_с (В₉) - 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 Д (Д₁ и Д₂) – кальциферолы (эргокальциферол и холекальциферол) → 1,25-дигидроксихолекальциферол; витамин Е – токоферолы (α,β,γ,δ) →?; витамин К (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.

Биохимия

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

Программа курса:

Рекомендуемая литература: