Биохимия: структура, метаболизм и аминокислоты

1. литература

• Ленинджер, А., Основы биохимии. М.: Мир.
• Березов, Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая
химия
• Страйер Л.
• Авдеева, Л.В. Биохимия: Учебник / Л.В. Авдеева,
Т.Л. Алейникова, Л.Е. Андрианова; Под ред. Е.С.
Северин. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2015. - 768 c.
• Филиппович Ю.Б.
• Кольман, Рем. Наглядная биохимия

2.

3.

4.

– Нельсон, Д. Основы биохимии Ленинджера : учебное пособие / Д. Нельсон,
М. Кокс ; перевод с английского Т. П. Мосоловой [и др.]. — 4-е изд. —
Москва : Лаборатория знаний, 2020 — Том 1 : Основы биохимии, строение
и катализ — 2020. — 749 с. — ISBN 978-5-00101-864-3. — Текст :
электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL:
https://e.lanbook.com/book/135557Нельсон, Д. Основы биохимии Ленинджера
: учебное пособие /
– Д. Нельсон, М. Кокс ; перевод с английского Т. П. Мосоловой [и др.]. — 4-е
изд. — Москва : Лаборатория знаний, 2020 — Том 2 : Биоэнергетика и
метаболизм — 2020. — 691 с. — ISBN 978-5-00101-865-0. — Текст :
электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL:
https://e.lanbook.com/book/135558
– Нельсон, Д. Основы биохимии Ленинджера : учебное пособие / Д. Нельсон,
М. Кокс ; перевод с английского Т. П. Мосоловой, О. В. Ефременковой. — 4е изд. — Москва : Лаборатория знаний, 2020 — Том 3 : Пути передачи
информации — 2020. — 451 с. — ISBN 978-5-00101-866-7. — Текст :
электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL:
https://e.lanbook.com/book/135559

5.

6. Биохимия – наука о химическом составе живой материи и о химических процессах, происходящих в живых организмах и лежащих в

основе жизнедеятельности
Термин «биохимия» был введен К.Нейбергом в 1903 г.

7.

Биохимия на молекулярном уровне
описывает структуру, механизмы и
химические процессы, свойственные
всем организмам и формулирует
принципы организации, лежащие в
основе любых форм жизни, которые
можно назвать принципами
молекулярной логики жизни

8.

Биохимия - наука, изучающая
качественный и количественный состав,
а также пути, способы, закономерности,
биологическую и физиологическую роль
превращения вещества, энергии и
информации в живом организме

9.

Биохимия
Статическая
Динамическая
процессы
превращения,
метаболизм
Функциональная
регуляция, интеграция и
значение для
клетки/организма

10.

Современная биохимия сформировалась на
рубеже ХIХ и ХХ вв. благодаря развитию
органической химии и физиологии, поэтому в
ХIХ в. она называлась физиологической химией

11.

1-й период – с древних времен до эпохи Возрождения
(15 век). Этот период практического использования
биохимических процессов без знания их теоретических
основ и первых, порой очень примитивных
биохимических исследований.
Авиценна
2-й период в развитии биохимии, существующей еще как
раздел физиологии, характеризуется усилением
накопления биохимических знаний. Этот период от
начала эпохи Возрождения до второй половины 19 века,
когда биохимия становится самостоятельной наукой.
Да Винчи, Парацельс, Ломоносов, Лавуазье, Бутлеров

12.

3-й период в истории биохимии, начинающийся со
второй половины 19 века, ознаменован выделением
биохимии как самостоятельной науки из физиологии.
Это связано с резким увеличением интенсивности и
глубины биохимических исследований, объема
получаемой информации, возросшим прикладным
значением – использованием биохимии в
промышленности, медицине, сельском хозяйстве

13.

• А. Я. Данилевский (1838-1923). сформулировал ряд
положений, которые в дальнейшем легли в основу
полипептидной теории структуры белков. Впервые высказана
идея об обратимости действия ферментов,ферментативный
синтез белковоподобных веществ (пластеины). Оригинальная
методика разделения и очистки ферментов. Возглавил в
Казанском университете первую в России кафедру биохимии и
создал первую русскую школу биохимиков.
• М.В. Ненцкий (1847-1901). В 1891 г. он создал первую в России
биохимическую лабораторию при Институте
экспериментальной медицины в Петербурге. Установлены
основные этапы биосинтеза мочевины, исследовано строение
гемоглобина и сделано сопоставление в эволюционном плане со
структурой хлорофилла.
Н.И. Лунин витамины (1880),
• Д.И. Ивановский – вирусы (1892).

14.

На рубеже 19 и 20 веков работал крупнейший немецкий химик-органик и
биохимик Э. Фишер (1852-1919). Сформулированы основные положения
полипептидной теории белков, начало которой дали исследования А.Я.
Данилевского. Э. Фишер установил структуру, предложил формулы и
исследовал свойства почти всех аминокислот, входящих в состав белков.
Им было проведено подробное и обширное изучение строения и
ферментативных превращений углеводов, особенно моносахаридов.
К этому же времени относятся исследования великого русского физиолога
растений К. А. Тимирязева (1843-1920), биохимические вопросы фотосинтеза
и минерального питания растений.
А.Н. Бах - основатель советской биохимической школы. Созданная А.Н. Бахом
на основании глубоких исследований перекисная теория объяснила механизм
участия кислорода воздуха в реакциях дыхания. Многое сделано А.Н. Бахом в
области энзимологии, им заложены основы учения о физиологической роли
ферментов. Его исследования способствовали развитию технической биохимии
в нашей стране.

15.

16.

В.И. Палладин - показал, что дыхание представляет собой систему
ферментативных процессов, установил роль кислорода воды и реакций
дегидрогенизации – отщепления водорода – при дыхании;
С.П. Костычев - исследовал химизм спиртового брожения и анаэробной фазы
дыхания, нашел общность между ними;
Д.Н. Прянишников - заложил основы учения об азотном обмене растений,
раскрыл роль аммиака и аспарагина в этом процессе, создал основы советской
агрохимии.
В 1905 г. А. Гарден и В. Ионг выделили первый кофермент спиртового
брожения - «козимазу», (НАД). В этом же году Ф. Кнооп открыл и исследовал
окисление жирных кислот.
К 20-30-м годам относятся блестящие работы немецкого биохимика О.
Варбурга по выделению и изучению дыхательных ферментов
(цитохромоксидаза, флавиновые дегидрогеназы и др.), выделению
пиридиновых нуклеотидов, изучению их структуры и функции.

17.

Ханс Кребс
(1900-1981)

18.

В 1933 г. Г. Кребс подробно изучил орнитиновый цикл
образования мочевины, а 1937 г. - цикл трикарбоновых
кислот.
В 1931 г. В.А. Энгельгардт показал, что фосфорилирование
сопряжено в процессе дыхания с окислительными
процессами, а в 1942 г. он же совместно с М.Н. Любимовой
открыл АТФ-азную активность миозина и других
сократительных белков.
В 1938 г. А.Е. Браунштейн и М. Крицман впервые описали
реакции трансаминирования.

19.

• 4-й период - использование в биохимических
исследованиях физических, физикохимических и математических методов,
активным и успешным изучением основных
жизненных процессов на молекулярном и
надмолекулярном уровнях.

20.

1953 –модель двойной спирали строения ДНК.
1953 – Ф. Сэнгер впервые расшифровал аминокислотную последовательность белка
инсулина,
1955-1960 – А.Н. Белозерский и его сотрудники, исследовав нуклеотидный состав ДНК
огромного числа представителей животных, растений и бактерий, охарактеризовали
таксономическое и эволюционное значение соотношения отдельных азотистых основани
в ДНК.
1959, 1960 – А. С. Спирин и П. Доти установили вторичную и третичную структуру
рибосомальной РНК.
1961 – М. Ниренберг расшифровал первую «букву» кода белкового синтеза – триплет
ДНК, соответствующий фенилаланину.
1965-1967 – Р. Холли и независимо от него А.А. Баев определили нуклеотидную
последовательность транспортных РНК.
1966 – П. Митчелл сформулировал хемиосмотическую теорию сопряжения окисления и
фосфорилирования.
1971 – в совместной работе двух лабораторий, руководимых Ю.А. Овчинниковым и А.
Е. Браунштейном, установлена первичная структура аспартатаминотрансферазы – белка
412 аминокислот.
1977 – Ф. Сэнгер и сотрудники впервые полностью расшифровали первичную структуру
молекулы ДНК.

21.

Якуб Оскарович ПАРНАС (1884 – 1949)
1902-1915 – обучение на химическом отделении в Политехникуме в Шарлоттенбурге,
университет в Страсбурге, политехникум в Цюрихе; работа в Неаполе и Кембридже.
1904 – окончил высшую техническую школу в Берлине.
1916-1919 – профессор Варшавского университета.
1921 – директор Института медицинской химии Львовского университета.
1939 – ректор Львовского медицинского института.
1942 – работа в Институте биохимии в Уфе; разработал способ получения кровяной плазмы и
нормы стимуляторов.
Главным достижением биохимии первой половины XX века стало выяснение природы и
«биологического смысла» анаэробного превращения углеводов. Оно вошло в историю под
именами основных исследователей – Мейергофа, Эмбдена, Парнаса. Я. О. Парнас открыл
фосфоролиз гликогена. Для вовлечения остатков глюкозы из гликогена в энергетический
метаболизм происходит фосфоролиз гликогена: неорганический фосфат соединяется с глюкозой
при разрыве гликозидной связи.
Нобелевские премии за это направление исследований получили:
1922 г. – О. Мейергоф: за открытие того, что при мышечном сокращении определённое
количество глюкозы без участия кислорода превращается в молочную кислоту.
1931 г. – О. Варбург: за открытие ферментов, с помощью которых в живой клетке осуществляется
окисление глюкозы (анаэробный гликолиз).
1947 г. – К. Кори: за описание процессов превращения глюкозы в гликоген и обратно (цикл Кори).

22.

!!! Биологические полимеры отличаются большим
разнообразием, что обеспечивается прежде всего за счёт
матричного синтеза, приводящего к образованию нерегулярных
(гетерогенных) полимеров.
Важнейшую роль в их организации и функционировании
играют «слабые» (нековалентные) межмолекулярные
взаимодействия.
Ключевое значение имеет пространственная структура молекул
— их специфические конформации и конфигурации, включая
явление изомерии.

23.

24.

25.

26. Матричные синтезы

• 1. Репликация
• 2. Транскрипция
• 3. Трансляция
• 4. Репарация
• 5. Обратная транскрипция

27.

28.

Класс соединений
Основная
Примеры реакций (из
функциональная
предыдущего анализа)
группа
Углеводороды
R–H (алкил,
арил)
Галогенирование, окисление,
гидрирование
Галогенопроизводные
R–Hal
Нуклеофильное замещение,
элиминирование
R–OH
Этерификация, окисление,
дегидратация
Ar–OH
Кислотные свойства,
электрофильное замещение в
ароматическом кольце
R–O–R'
Расщепление кислотами,
окисление
Класс соединений
функциональная
группа
Серусодержащие:
Тиолы (тиоспирты)
R–SH
Окисление в дисульфиды
(S-S), образование
тиоэфиров
Тиоэфиры
(сульфиды)
R–S–R'
Образование солей,
окисление
Сульфокислоты
R-SO2OH
Кислотные свойства,
образование
сульфонамидов
–NH2, –NHR, –NR2
Основные свойства,
ацилирование,
образование солей
R–C≡N
Гидролиз до
кислот/амидов,
восстановление до
аминов
R–CONH2
Гидролиз,
восстановление,
дегидратация до
нитрилов
R–NO2
Восстановление до
аминов, кислотноосновные свойства
Кислородосодержащие:
Спирты
Фенолы
Простые эфиры
Азотсодержащие:
Амины
Нитрилы
Альдегиды
R–CHO
Окисление, нуклеофильное
присоединение, восстановление
Амиды
Кетоны
Карбоновые кислоты
R–CO–R'
R–COOH
Нуклеофильное присоединение,
восстановление
Образование солей,
этерификация, образование
амидов
Нитросоединения
Гидролиз, амидолиз,
переэтерификация
Сложные эфиры
R–COO–R'
Ангидриды
R–CO–O–CO–
Гидролиз, ацилирование
R'
Примеры реакций (из
предыдущего анализа)
Фосфорсодержащие R–OPO3.
Гидролиз (кислотный
или ферментативный)
Перенос фосфатной
группы
(фосфорилирование/деф
осфорилирование)
Образование ангидридов
(например, АТФ)

29.

30.

Соединения со смешанными функциями
Соединения, производимые от углеводородов замещением в
них двух или более атомов водорода на одинаковые или
различные
функциональные
группы,
называются
многоатомными соединениями.
Эти
классы
соединений получают название, отвечающее
содержащимся в них различным функциональным группам.
- Альдегидоспирты или окси-альдегиды - в молекуле
присутствует одновременно гидроксильная группа (-ОН) и
карбнильная (-СО)
- оксикислоты, аминогруппа (-NH2) и гидроксильная (-ОН)аминоспирты
- -NН2 и -СООН - аминокислоты

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

Селеноцистеин – 21-я протеиногенная
Селеноцистеин – 21-я протеиногенная аминокислота, кодируемая триплетом мРНК UGA.
Входит в состав селенсодержащих белков, таких как тиоредоксинаредуктаза и
глутатионпероксидаза.
Кодон UGA (обычно стоп-кодон) в мРНК читается как селеноцистеин при наличии SECIS-элемента (селеноцистеинвставляющей последовательности) в 3'-нетранслируемой области.
L-пирролизин – 22-я протеиногенная аминокислота, кодируемая триплетом мРНК UAG.
Входит в состав фермента монометиламин-метилтрансферазы.
Имеют специфические тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы (или системы биосинтеза на тРНК).
Существуют сигнальные элементы в мРНК (SECIS/PYLIS), которые перекодируют стоп-кодон в
смысловой. Включаются в белок рибосомой в процессе трансляции, а не модифицируются
посттрансляционно.

46.

47. Главная диагностическая разница — в тканевой специфичности и внутриклеточной локализации

Главная диагностическая разница — в тканевой
специфичности и внутриклеточной локализации
АЛТ - Аланинаминотрансфераза
АСТ - Аспартатаминотрансфераза
Параметр
АЛТ (АлАТ)
АСТ (АсАТ)
Основная локализация
ПЕЧЕНЬ (наибольшая концентрация).
Цитоплазма гепатоцитов.
СЕРДЦЕ (миокард), скелетные
мышцы, печень, почки, мозг, поджелудочная
железа.
Внутриклеточная локализация Преимущественно в цитоплазме.
В цитоплазме и митохондриях (значительная
часть).
Специфичность для печени
Высокая. Значительное повышение почти всегда
указывает на повреждение гепатоцитов.
Умеренная. Может повышаться при патологии
сердца, мышц и других органов.
Скорость появления в крови
Повышается несколько позже, чем АСТ, при
остром повреждении.
Повышается быстро, особенно при массивном
некрозе (инфаркт миокарда, тяжелый гепатит).
Скорость выведения (период
полураспада)
~47 часов (дольше). Уровень держится
повышенным дольше.
~17 часов (быстрее). Уровень нормализуется
раньше.
Основные причины
повышения
1. Вирусные гепатиты (A, B, C, E).
2. Токсическое поражение печени (алкоголь,
лекарства, яды).
3. Неалкогольная жировая болезнь печени
(НАЖБП).
4. Холестаз (застой желчи).
5. Опухоли печени.
1. стандарт диагностикиИнфаркт
миокарда (золотой в прошлом).
2. Заболевания печени (см. выше).
3. Травмы или заболевания скелетных
мышц (миозиты, дистрофии, тяжелые нагрузки).
4. Гемолитические состояния.
5. Острый панкреатит.

48.

49.

50. Детоксикация аммиака

• Синтез глутамина
• В клетках кишечника глутаминаза
катализирует образование глутамата,
переаминирование и синтез аланина
• Синтез аспарагина
• Синтез мочевины

51.

Живущие в воде животные выделяют аммиак непосредственно а воду; например, у
рыб он выводится через жабры (аммониотелические организмы).
Наземные позвоночные, в том числе человек, выделяют лишь небольшое количество
аммиака, а основная его часть превращается в мочевину (уреотелические
организмы).
Птицы и рептилии, напротив, образуют мочевую кислоту, которая в связи с
экономией воды выделяется преимущественно в твердом виде (урикотелические
организмы).

52.

53.

54.

У растений уреаза
Ферменты цикла (особенно аргиназа) гораздо древнее и есть у всех эукариот.
Они выполняли другие функции (обмен аргинина, полиаминов). Позже они были
"собраны" в единый цикл у некоторых животных.
Мочевина как молекула оказалась очень удобной не только для выведения, но и
для осморегуляции, транспорта и хранения азота. Поэтому разные организмы
"используют" ее по-разному в зависимости от своих экологических ниш.

55.

56.

Аминокислотапредшественник
Продукт декарбоксилирования Основная функция / роль
Гистидин
Гистамин
Тканевый гормон, влияет на кровяное давление,
медиатор аллергии и воспаления
Лизин
Кадаверин
Компонент рибосом, продукт бактериального
распада
Орнитин
Путресцин
Продукт бактериального метаболизма,
предшественник полиаминов
Аргинин
Агматин
Образуется кишечными бактериями,
нейромодулятор
Аспарагиновая кислота
β-Аланин
Структурный компонент кофермента A
Глутаминовая кислота
γ-Аминомасляная кислота
(ГАМК)
Главный тормозной нейромедиатор мозга, снижает
давление
Серин
Коламин
Компонент холина и фосфолипидов
Треонин
Пропаноламин
Входит в состав витамина B₁₂
Цистеин
Цистеамин
Тирозин
Тирамин
Часть кофермента A
Тканевый гормон, стимулирует сокращение матки,
«сырный синдром»
ДОФА
Дофамин
Нейромедиатор ЦНС, предшественник адреналина и
норадреналина
Триптофан
Триптамин
Тканевый гормон
5-Гидрокситриптофан
Серотонин
Нейромедиатор и гормон («гормон счастья»),
регулятор сна, настроения, аппетита
N-Ацетил-5гидрокситриптофан
Мелатонин
Гормон эпифиза, регулятор циркадных ритмов и сна

57. Сырный синдром или тираминовый эффект

МАО — это фермент моноаминоксидаза, который находится в митохондриях нервных окончаний, печени и
кишечника.
Его задача — разрушать избыток нейромедиаторов и биогенных аминов (дофамин, норадреналин, серотонин,
тирамин) путём окисления.
ИМАО — препараты, которые блокируют этот фермент, применяются как антидепрессанты (например, фенелзин,
транилципромин).
Результат: концентрация нейромедиаторов в синапсах увеличивается → улучшается настроение, но также
накапливаются и другие амины, включая тирамин.
В норме тирамин из пищи разрушается МАО в кишечнике и печени до того, как попадёт в кровь.
Но если МАО заблокирована ИМАО:
Тирамин не разрушается → всасывается в кровь в высоких дозах.
Попадая в нервные окончания, тирамин вытесняет норадреналин из везикул (пузырьков-хранилищ) в
синаптическую щель.
Норадреналин резко выбрасывается → возникает массивная симпатическая активация.
Эффекты: Сильная вазоконстрикция (сужение сосудов) Резкий скачок артериального давления (до 200–250 мм рт.
ст.) Тахикардия, головная боль, потливость, тошнота, риск инсульта, отёка лёгких или гипертонической
энцефалопатии.