Благодарность

В процессе изучения биохимии обмены углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот, минеральных веществ и различные механизмы их регуляция рассматривались отдельно. Однако в целостном организме все эти процессы взаимосвязаны и условно могут быть представлены в виде карты метаболизма. Понимание интеграционных процессов в обмене веществ - это более высокая стадия изучения и понимания предмета. Интеграционные механизмы можно проследить на различных уровнях, начиная с биосферного и кончая межуточным метаболизмом. Так, в биосфере происходит постоянный обмен веществ и энергии. В зеленых растениях из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза образуется молекула глюкозы, в химических связях которой аккумулируется солнечная энергия. В организме животного или человека эта глюкоза подвергается распаду до углекислого газа и воды с выделением энергии, которая и используется для движения, трансмембранного транспорта и биосинтезов.

Интегрирующие системы. Все клетки организма имеют одно и то же количество ДНК, но в разных клетках активными являются разные участки и разное количество ДНК. Это позволяет разделить клетки на различные типы по метаболизму в зависимости от степени их дифференцировки. Например, узкоспециализированные клетки зрелых эритроцитов, которые потеряли ядро, митохондриии и предназначены для транспорта кислорода и углекислого газа и мультифункциональные клетки печени. Клетки, являющиеся функциональной единицей организма, образуют сложную иерархически организованную систему: клетки ® ткани ® органы ® системы органов ® организм. Такая организация обеспечивает рациональное разделение функциональной активности, но требует участия контролирующих инстанций, согласующих и координирующих работу различных органов и тканей.

Эту интегрирующую роль играют три важнейшие системы:

1) Нервная система, которая является центром обработки информации и принятия решений, воспринимающим импульсы, которые отражают воздействия на организм изменяющихся условий среды (гипоксия, голод, жажда, изменение температуры, стресс и др.), и передающим соответствующие команды другим органам и тканям с целью приспособления их функционального состояния к этим изменениям условий среды.

2) Эндокринная система (или более общая система гуморальной регуляции) регулирует метаболизм с помощью дистантно действующих химических биорегуляторов (рост, размножение, развитие, стрес-реакция и пр.). Относительно быстрые адаптивные реакции эндокринной системы способствуют поддержанию постоянства концентрации в крови таких веществ, как глюкоза, липиды, кальций, обеспечивают оптимальное соотношение между синтезом и распадом компонентов тканей в зависимости от энергетических потребностей.

3) Сердечно-сосудистая и лимфатическая системы, которые выполняют коммуникационные функции и служат для переноса всех химических соединений в организме. При помощи их транспортируются газы, пластические и энергетические молекулы, минеральные вещества из внешней среды в клетки тканей, между клетками и тканями и осуществляется выведение из организма проникших в него микроорганизмов, токсинов, ксенобиотиков, конечных продуктов обмена веществ.

Взаимосвязи обмена белков, жиров и углеводов. Между превращениями этих трех групп соединений в процессе обмена должны существовать целесообразные взаимосвязи. Существует несколько различных путей взаимодействия этих классов метаболитов. Это взаимодействие может осуществляться на уровнях общих предшественников, общих промежуточных метаболитов (пункты переключения), сходных источниках энергетического обеспечения, наличии общего пути катаболизма и образования общих конечных продуктов обмена.

В качестве примера рассмотрим путь аэробного катаболизма глюкозы и отметим наиболее важные промежуточные метаболиты, являющиеся пунктами переключения: глюкоза ® Г-6-Ф ® Ф-6-Ф — — ® Фосфоенолпируват ® Пируват ® Ацетил-КоА ® Цикл трикарбоновых кислот ® Митохондриальные цепи переноса электронов и протонов ® Углекислота и вода. Глюкозо-6-фосфат образуется из проникшей в клетку глюкозы в реакции, катализируемой гексо- или глюкокиназой. Присоединение отрицательно-заряженной фосфатной группы не позволяет Г-6-Ф покинуть клетку. Г-6-Ф может превращаться по следующим направлениям:

1) Наличие глюкозо-6-фосфатазы в клетках печени и почек обеспечивает выделение этими органами глюкозы в кровеносное русло.

2) Г-6-Ф может превращаться в гликоген через Г-1-Ф и УДФ-глюкозу.

3) Г-6-Ф может превращаться в глюкозамин и глюкуроновую кислоту, которые необходимы для биосинтеза компонентов межклеточного вещества - гликозамингликанов, а глюкуроновая кислота участвует во второй фазе обезвреживания ксенобиотиков в виде УДФ-глюкуроновой кислоты (образование парных соединений для повышения гидрофильности).

4) Г-6-Ф может превращаться в реакциях пентозофосфатного пути обмена углеводов. При этом образуются пентозофосфаты и затем фосфорибозилпирофосфат, необходимый для биосинтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот (процес­сы физиологической и репаративной регенерации тканей). Кроме того образуе­мый НАДФН необходим для ряда биосинтезов (холестерина, жирных кислот и др.), а также используется в реакциях антиоксидантной защиты при свободно­радикальном повреждении клеток.

5) Г-6-Ф может превращаться в специфическом пути реакций от глюкозы до пирувата и затем в реакциях общего пути катаболизма.

Следующим важным пунктом переключения является пируват, который может превращаться по следующим направлениям:

1) Реакции карбоксилирования пирувата ведут к образованию щавелевоуксусной кислоты (ЩУК).

2) Реакции окислительного декарбоксилирования пирувата обеспечивают образование ацетил-КоА.

3) В реакции, катализируемой аланин-аминотрансферазой (АлАТ), из пирувата образуется аланин.

4) От пирувата начинается комплекс ферментативных реакций первого обходного пути глюконеогенеза, ведущий к образованию фосфоенолпирувата (обра­щение пируваткиназной реакции).

Наиболее интересным пунктом переключения является ацетил-КоА:

1) Ацетил-КоА образуется из пирувата (углеводы), из жирных кислот (b-окисле­ние), из кетогенных аминокислот и из глицерина.

2) Ацетил-КоА, конденсируясь с ЩУК вступает в цикл трикарбоновых кислот, в котором молекула полностью "сгорает", поставляя атомы водорода в митохондриальные цепи переноса протонов и электронов, а также выделяя углекислый газ.

3) Ацетил-КоА может карбоксилироваться и превращаться в малонил-КоА и далее в жирные кислоты.

4) Три молекулы ацетил-КоА конденсируются и ведут к образованию ГМГ-КоА, а затем кетоновых тел или через мевалонат-КоА обеспечивают синтез холестерина.

Следует отметить, что синтез жирных кислот и холестерина требует НАДФН, а синтез кетоновых тел не требует восстановительных эквивалентов, т.е. НАДФН.

Среди метаболитов цикла трикарбоновых кислот большинство являются узлами переключения. Это неудивительно, исходя из того, что этот цикл является третьей стадией катаболизма и первой стадией анаболизма. Особый интерес представляет a-кетоглютаровая кислота (2-оксоглутарат). Восстановительное аминирование a-кетоглютарата ведет к образованию глютамата. Окислительное дезаминирование глютамата (фермент глютаматдегидрогеназа) ведет к образованию a-кето­глютарата. Если учесть, что глютамат в реакциях трансаминирования собирает аминогруппы от различных аминокислот, можно констатировать роль a-кето­глютарата как триггера в системе общий путь катаболизма «фонд аминокислот. Щавелевоуксусная кислота (оксалацетат) может получаться при карбоксилировании пирувата или при трансаминировании аспартата. Это соединение необходимо для включения ацетил-КоА в цикл трикарбоновых кислот или для превращений в реакциях глюконеогенеза.

Как правило, ферменты, катализирующие превращения метаболитов в пунктах переключения, являются регуляторными. Их активность может регулироваться аллостерически (если фермент имеет аллостерический центр) методами форактивации или ретроингибирования, химической модификацией (чаще фосфорилированием-дефосфорилированием) гормонами и биорегуляторами. Кроме того может изменяться количество ферментов (например, глюкокортикоиды стимулируют биосинтез ключевых ферментов глюконеогенеза).

Различные метаболические процессы, обеспечивающие движение, трансмембранный транспорт и биосинтезы, требуют источников энергии. Известно, что ГТФ чаще используется в биосинтезе белков, ЦТФ - липидов и УТФ - углеводов. Однако универсальным источником и аккумулятором энергии является АТФ. Для многих восстановительных синтезов используется НАДФН.

Общим конечным путем для всех систем метаболизма являются цикл лимонной кислоты (ЦТК) и реакции цепей переноса электронов и протонов. Эти протекающие в митохондриях процессы используются для координации целого ряда метаболических реакций на различных уровнях. Цикл трикарбоновых кислот является в клетке главным источником двуокиси углерода для реакций карбоксилирования, с которых начинается синтез жирных кислот и глюконеогенез; та же двуокись углерода поставляет углерод для мочевины и некоторых звеньев пуриновых и пиримидиновых колец. Взаимосвязи между процессами углеводного и азотистого обмена также достигаются посредством промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот (a-кетоглютарат «глютамат; ЩУК «аспартат; сукцинат «гем). Участие аспартата в цепи метаболических реакций от цитруллина до аргинина и в образовании фумарата обеспечивает непосредственную связь между участком цикла трикарбоновых кислот от фумарата до ЩУК (продукция 3 АТФ) и цикла мочевины, использующего эти 3 АТФ для синтеза одной молекулы мочевины.

Для общего пути катаболизма особое значение имеют НАДН и адениловые нуклеотиды (АТФ, АДФ, АМФ). Высокое содержание АДФ и низкое содержание АТФ свидетельствует о малом запасе энергии; при этом НАДН вовлекается в реакции цепей переноса протонов и электронов, обеспечивая усиление сопряженных реакций окислительного фосфорилирования. Обратное явление наблюдается при низком содержании АДФ и высоком содержании АТФ; ограничивая работу системы переноса электронов, они способствуют использованию НАДН в других восстановительных реакциях - таких, как синтез глютамата или глюконеогенез.

Внутриклеточные регуляторы метаболизма – витамины, являясь незаменимыми компонентами пищи, являются агентами, поддерживающими взаимосвязанные превращения веществ в интересах клетки и организма в целом.

Количественная характеристика взаимопревращений белков, жиров и углеводов

ЖИРЫ

¯

Жирные кислоты

2 6 3 5 4

БЕЛКИ ® Аминокислоты Глюкоза УГЛЕВОДЫ

Рассматривая степень взаимопревращений белков, жиров и углеводов, необходимо, прежде всего, рассмотреть взаимопревращения аминокислот, жирных кислот и глюкозы. Рассмотрим возможные пути превращений: 1) синтез глюкозы из аминокислот (глюконеогенез) идет через фосфоенолпируват (гликогенные аминокислоты - арг, асп, асн, цис, глу, глн, гли, гис, мет, про, сер, тре, три, вал); глюконеогенез усилен при голоде, стрессе, диабете; 2) синтез жирных кислот из аминокислот идет через ацетил-КоА (кетогенные аминокислоты - лей, лиз, фен, тир); при этом возможен синтез кетоновых тел через ацетоацетил-КоА; 3) синтез заменимых аминокислот из глюкозы путем восстановительного аминирования и трансаминирования с тремя кетокислотами (пируват, ЩУК и a-кетоглю­тарат); 4) синтез жирных кислот из глюкозы (через ацетил-КоА) и глицерина через 3-фосфоглицериновый альдегид, это путь депонирования энергии; 5) Жирные кислоты весьма слабо превращаются в углеводы; 6) Жирные кислоты практически не превращаются в аминокислоты. Важно отметить однонаправленность потока веществ в сторону липогенеза от углеводных или белковых источников через ацетил-КоА. Поскольку в организме человека не существуют механизма, обеспечивающего превращение этого двухуглеродного фрагмента (ацетил-КоА) в трехуглеродные соединения, необходимые для глюконеогенеза или для образования заменимых аминокислот (аланин), обратный переход углерода жирных кислот в глюкозу или белки практически невозможен. Таким образом, можно ранжировать пути взаимопревращений глюкозы, аминокислот и жирных кислот 4>2>1>3>5,6.

 

Программные вопросы по биохимии с основами молекулярной биологии для студентов 3 курса биологического факультета

 

1. Предмет и задачи биологической химии. Важнейшие признаки живой материи. Проявления диалектических законов в организации и функциях живой материи.

2. Объекты биохимического исследования. Основные разделы и направления в биохимии. Место биохимии среди других биологических дисциплин. Биохимия и экология.

3. Важнейшие этапы истории биохимии. Ведущие отечественные и зарубежные ученые-биохимики, их вклад в развитие биохимии. Биохимия и развитие молекулярной биологии, физико-химической биологии и биотехнологии.

4. Белки - важнейшие компоненты организма: функции, классификация. Форма и размеры белковых молекул, молекулярная масса, физико-химические свойства.

5. Первичная структура белков, ее роль. Наследственные и приобретенные протеинопатии. Полиморфизм белков.

6. Конформация белковых молекул (вторичная и третичная структуры). Типы внутримолекулярных связей в белках. Нативная структура и денатурация белков. Структура белков и функция.

7. Четвертичная структура белков. Кооперативные изменения конформации протомеров (гемоглобин в сравнении с миоглобином). Способность белков к специфическим взаимодействиям. Самосборка многомолекулярных белковых структур.

8. Схема и методы выделения индивидуальных белков и характеристика гомогенности выделенного белка. Количественное определение белков.

9. История открытия и изучения ферментов. Особенности биокатализаторов. Специфичность действия ферментов. Особенности выделения ферментов. Классификация и номенклатура ферментов.

10. Структурная и функциональная организация ферментов. Активный и аллостерический центры. Изоферменты. Механизм и стадии ферментативного катализа. Единицы измерения активности ферментов.

11. Зависимость скорости ферментативных реакций от концентрации субстрата, фермента, температуры и рН.

12. Активаторы и ингибиторы ферментов. Антиметаболиты.

13. Регуляция действия ферментов: аллостерические механизмы, кооперативные эффекты, химическая модификация. Примеры метаболических путей, регулируемых этими механизмами. Физиологическое значение регуляции действия ферментов.

14. Представление о биосинтезе и распаде пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Нарушения обмена нуклеотидов.

15. Нуклеопротеиды. ДНК, структурная организация, размеры молекул, способы укладки в хроматине и хромосомах. Репликация ДНК: механизм и биологическое значение. Репликация и фазы клеточного цикла. Повреждения ДНК. Репарация повреждений и ошибок репликации ДНК.

16. Первичная и вторичная структуры РНК. Типы РНК, строение, локализация в клетке, функции. Биосинтез РНК (транскрипция). Строение рибосом и полирибосом. Синтез аминоацил-т-РНК. Субстратная специфичность аминоацил-т-РНК-синтетаз.

17. Биосинтез белков. Биологический код. Основные компоненты белок-синтезирующей системы. Функционирование рибосом и последовательность реакций при синтезе полипептидной цепи. Адапторная функция т-РНК, роль иРНК.

18. Регуляция действия генов. Индукция и репрессия синтеза белков в организме человека. Роль гормонов в регуляции действия генов. Ксенобиотики - ингибиторы матричных синтезов у прокариот и эукариот. Основы генной инженерии.

19. Общая характеристика и функции мембран, компоненты мембран.

20. Модели строения мембран, трансмембранный транспорт.

21. Метаболизм и его функции, регуляция метаболизма в клетке. Введение в биохимию пищеварения, характеристика пищи, ферментов пищеварения. Регуляция пищеварения гормоноподобными веществами.

22. Катаболизм и анаболизм, их взаимосвязь. Эндергонические и экзергонические реакции в метаболизме. АТФ и другие высокоэнергетические соединения. Цикл АДФ-АТФ. Виды фосфорилирования АДФ и пути использования АТФ.

23. Биологическое окисление и пути использования кислорода. Строение митохондрий и структурная организация цепи переноса электронов. Типы окисляемых субстратов. NAD-зависимые дегидрогеназы. FAD-зависимые дегидрогеназы: сукцинатдегидрогеназа и ацил-КоА-дегидрогеназа.

24. Внутренняя мембрана митохондрий и дыхательная цепь: NADH-дегидрогеназа, убихинон, цитохромы, их структура и механизм переноса протонов и электронов на кислород.

25. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Гипотезы механизма окислительного фосфорилирования.

26. Сопряжение окисления с фосфорилированием в дыхательной цепи. Н⁺-АТФ-синтетаза. Дыхательный контроль. Разобщение дыхания и фосфорилирования. Гипоэнергетические состояния.

27. Окислительные системы, не связанные с аккумуляцией энергии. Микросомальное окисление. Свободно-радикальное окисление. Роль в патологии клеток.

28. Общие и специфические пути катаболизма. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: строение пируватдегидрогеназного комплекса и последовательность реакций.

29. Цикл трикарбоновых кислот: последовательность реакций и характеристика ферментов, регуляция. Биологическая роль ЦТК.

30. Основные углеводы тканей человека, биологическая роль. Переваривание углеводов, характеристика ферментов. Схема источников и путей расходования глюкозы в организме. Ключевая роль глюкозо-6-фосфата.

31. Биосинтез и мобилизация гликогена: последовательность реакций, физиологическое значение. Регуляция активности фосфорилазы и синтазы гликогена. Гликогенозы и агликогенозы

32. Аэробный распад глюкозы: химизм, физиологическое значение. Челночные механизмы переноса восстановительных эквивалентов.

33. Анаэробный распад глюкозы: химизм, физиологическое значение. Центральная окислительно-восстановительная реакция гликолиза. Спиртовое брожение. Метаболизм этанола в организме.

34. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез), физиологическое значение. Глюкозо-лактатный (цикл Кори) и глюкозо-аланиновый циклы.

35. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы: химизм, биологическая роль.

37 Пищевые жиры: переваривание, всасывание продуктов расщепления. Роль желчных кислот. Транспорт липидов в организме.

38 Важнейшие липиды тканей человека. Функции липидов. Депонирование и мобилизация жиров в жировой ткани. Регуляция. Транспорт и использование жирных кислот. Химизм окисления глицерола.

39 Активация и окисление высших жирных кислот: химизм, энергетика, физиологическая роль. Биосинтез и использование кетоновых тел.

40 Биосинтез жирных кислот: синтез и роль малонил-КоА, характеристика пальмитатсинтазного комплекса, регуляция. Пути образования жирных кислот с более длинной углеродной цепью и ненасыщеных жирных кислот.

41 Транспортные липопротеины крови: характеристика, синтез, физиологическая роль. Липопротеинлипаза.

42 Биосинтез триацилглицеролов, глицерофосфолипидов.

43 Обмен и функции холестерола, прямой и обратный транспорт. Биосинтез холестерола: химизм, регуляция.

44 Основные патологические процессы, связанные с нарушениями превращений ацетил-КоА (голодание, ожирение, атеросклероз, желчно-каменная болезнь, диабет).

45 Взаимосвязь обмена аминокислот, жиров и углеводов. Проявления взаимосвязи. Основные узлы переключения метаболизма (глюкозо-6-фосфат, пируват, ацетил-КоА, субстраты ЦТК).

48. Переваривание белков. Всасывание аминокислот. Динамическое состояние белков в организме. Азотистый баланс. Биологическая ценность пищевых белков и нормы белков в питании. Регуляция пищеварения гормоноподобными веществами.

49. Трансаминирование аминокислот: химизм, значение, характеристика трансаминаз. Непрямое дезаминирование аминокислот.

50. Окислительное дезаминировнаие аминокислот: химизм, характеристика ферментов. Восстановительное аминирование альфа-кетоглутарата, значение.

51. Декарбоксилирование аминокислот. Образование биогенных аминов, их роль в регуляции метаболизма и функций, обезвреживание.

52. Общее обезвреживание аммиака: синтез мочевины и аммонийных солей, значение процессов.

53. Трансметилирование. Метионин и S-аденозилметионин (участие в синтезе креатина, адреналина, фосфатидилхолина, метилировании чужеродных соединений). Участие тетрагидрофолиевой кислоты в метилировании.

54. Обмен фенилаланина и тирозина. Использование тирозина для синтеза катехоламинов, тироидных гормонов, меланинов. Распад тирозина до фумаровой и ацетоуксусной кислот. Наследственные нарушения обмена фенилаланина и тирозина.

55. Классификация гормонов по химическому строению и механизму действия. Основные механизмы регуляции метаболизма.

56. Центральная регуляция эндокринной системы: гормоны гипоталамуса и тропные гормоны гипофиза.

57. Инсулин: строение, синтез, биологическое действие. Характеристика нарушений обмена веществ при сахарном диабете.

58. Источники и пути расходования глюкозы крови. Регуляция содержания глюкозы в крови инсулином, глюкагоном, адреналином и глюкокортикоидами.

59. Адреналин и норадреналин: строение, синтез, влияние на обмен веществ.

60. Регуляция водно-солевого обмена. Строение, механизм действия вазопрессина и альдостерона. Ренин-ангиотензиновая система.

61. Обмен кальция и фосфатов: роль паратгормона, кальцитонина, витамина Д_.

62. Йодтиронины: строение, синтез, метаболизм, влияние на обмен веществ. Гипо- и гипертиреозы. Особенности функции щитовидной железы в связи с аварией на ЧАЭС.

63. Гормоны коры надпочечников - глюко- и минералокортикостероиды. Строение, влияние на обмен веществ. Проявление гипер- и гипофункции.

64. Мужские половые гормоны: строение, влияние на обмен веществ. Анаболические препараты стероидной структуры. Женские половые гормоны: строение, роль в половом цикле, влияние на обмен веществ.

65. Простагландины и их роль в регуляции метаболизма и физиологических функций. Кининовая система и ее функции. Использование гормонов в клинической практике.

66. Витамины, общая характеристика, классификация, функции. Патологические состояния, возникающие при нарушениях обмена витаминов. Особенности жирорастворимых витаминов.

67. Витамины группы А: строение, биологическая роль, распространение, суточная потребность. Гипо-, а- и гипервитаминоз.

68. Витамины группы К: строение, биологическая роль, распространение в природе, суточная потребность, проявления недостаточности. Водорастворимый препарат витамина К.

69. Витамин Е: строение, биологическая роль, распространение в природе, суточная потребность. Проявление недостаточности.

70. Витамины группы Д. Строение, биологическая роль, распространение в природе, суточная потребность. Гипо-, а- и гипервитаминозы.

71. Витамины С и Р, строение, биологическая роль, распространение в природе, суточная потребность. Гипо- и авитаминозы.

72. Витамин В₁: строение, биологическая роль, распространение в природе, суточная потребность. Авитаминоз.

73. Витамины В₂ и РР: строение (коферментные формы), биологическая роль, распространение в природе, суточная потребность.

74. Биотин. Пантотеновая кислота. Строение, биологическая роль (примеры реакций карбоксилирования), распространение в природе.

75. Фолиевая кислота. Строение, коферментные формы, биологическая роль, распространение в природе. Суточная потребность. Сульфаниламидные препараты как антиметаболиты.

76. Витамин В₁₂. Строение, биологическая роль, распространение в природе, суточная потребность. Пернициозная анемия.

78.Печень, функции. Особенности метаболизма печени. Роль печени в обмене углеводов, липидов, белков, аминокислот, витаминов.

79.Характеристика водно-солевого обмена: Распределение воды в организме, водный баланс. Натрий и калий, функциональная роль, нарушения обмена. Роль почек в регуляции водно-солевого обмена.

80. Молекулярные механизмы повреждения клеток. Апоптоз, некроз. Основные причины нарушения метаболизма факторами внешней среды.

81. Молекулярные механизмы защиты организма от действия неблагоприятных экологических факторов.

 

Благодарность

Уважаемая Мария Землянская!

Выражаем благодарность от имени всех сотрудников Организации, родителей БЫВШИХ наркоманов, изменивших свою жизнь и от самих молодых людей и девушек, получивших шанс на возрождение.

И как гласит Мудрость:

«Дающий щедро, получит прибыль и, помогая другим, ты больше получишь сам!».