Химическое строение белков, углеводов, нуклеиновых кислот и липидов

Программа учебного курса

«Биохимия»,

читаемого студентам-химикам 2-го курса факультета естественных наук НГУ

 

В. Н. Бунева

 

Введение

Метаболизм, его основа – катаболизм и анаболизм. Ферментативный катализ. Основные сложные органические биомолекулы – биополимеры, клетки: ДНК, РНК, белки, углеводы (полисахариды) и липиды. Мономеры биополимеров. Главные биологические функции биополимеров.

 

Биополимеры

Химическое строение белков, углеводов, нуклеиновых кислот и липидов

Белки. Биологические функции: структурообразующие, запасные, транспортные, двигательные, защитные, регуляторные и двигательные. Мономеры белков – аминокислоты: биологические функции, общая структура, изомерия. Проекции Фишера. Цвиттерионы. Классификация 20 протеиногенных аминокислот (трех- и однобуквенные обозначения): алифатические, серосодержащие, ароматические, иминокислоты, нейтральные, кислые и основные. Посттрансляционная модификация аминокислот: гидроксипролин, γ-карбоксиглутамат, О-фосфосерин, их биологическая роль. Первичная структура пептидов и белков: пептидная связь, направление последовательности акислот, S-S-мостики. Понятие о пространственной структуре белков и нековалентных взаимодействиях, обеспечивающих ее: вторичная (α-спираль, β-складки), третичная и четвертичная структуры.

Углеводы. Биологические функции моно- и полисахаридов. Структура моносахаридов. Альдозы и кетозы. Простейшие триозы: глицеральдегид и дигидрокси ацетон, D- и L- изомеры. Важнейшие моносахариды: глюкоза, фруктоза и рибоза. Образование циклических полуацеталей. Фуранозы и пиранозы. α-и β-аномеры. Проекционные формулы Хеуорса и Фишера. Эпимеры глюкозы: галактоза и манноза. Важнейшие производные моносахаридов: O- и N-гликозиды, фосфомоноэфиры и их биологическое значение. Структура полисахаридов. Гомо- и гетерогликаны. Линейные и разветвленные. Важные полисахариды (мономеры, тип связи(ей), биологическое значение): гликоген, муреин, декстран, агароза, целлюлоза, крахмал (амилоза и амилопектин), инулин и хитин. Гиалуроновая кислота – глюкозаминогликан, мономеры и биологические функции. O- и N-гликопротеины.

Нуклеиновые кислоты. Биологические функции нуклеиновых кислот и нуклеотидов. Азотистые основания ДНК и РНК. Модифицированные минорные компоненты гетероциклов. Рибоза и дезоксирибоза. Нуклеозиды. Нуклеотиды. Электрохимические и спектральные характеристики компонентов нуклеиновых кислот. Межнуклеотидная связь. Олиго- и полинуклеотиды. Понятие о пространственной структуре ДНК (двойная спираль, А-, В- и Z-формы) и РНК («шпильки», «кленовый лист»).

Липиды. Биологические функции липидов. Классификация липидов: нейтральные жиры, фосфо-, сфинголипиды и стероиды. Жирные кислоты и их биологические функции. Структура и номенклатура жирных кислот. Арахидоновая кислота как пример незаменимой жирной кислоты. Структура жиров. Фосфатидная кислота и структура фосфолипидов. Сфинго- и гликолипиды и их главные компоненты. Стероиды. Базовая структура стероидов – пергидроциклофенатрен (холестан). Классификация стероидов: стерины, желчные кислоты и стероидные гормоны. Холестерол как важный представитель стеринов. Желчные кислоты и стероидные гормоны, их биологические функции.

 

Ферменты

Строение и механизм действия

Ферментативный катализ как основной путь протекания химических процессов в живой природе.

Механизм действия ферментов: равновесие реакции и энергия активации, каталитическая сила (карбоангидраза), специфичность, трансформация различных видов энергии. Активный центр и адсорбционный центр фермента. Каталитический центр фермента. Образование комплекса фермент•субстрат – первая стадия ферментативного катализа, основные нековалентные взаимодействия, участвующие в образовании ES-комплекса. Две модели взаимодействия субстрата с ферментом (Э. Фишера и Д. Кошланда).

Активный центр и механизм действия панкреатической рибонуклеазы. Ферменты как кислотно-основные катализаторы. Механизм действия сериновых протеаз как пример нуклеофильного катализа. Химическое взаимодействие субстратов с ферментами как промежуточная стадия ряда ферментативных реакций. Активный центр и механизм действия карбоксипептидазы. Участие кофакторов - ионов металлов в формировании активных центров некоторых ферментов. Электрофильный катализ в ферментативных реакциях. Участие специальных органических молекул (простетических групп) в формировании каталитических центров ферментов. Апоферменты и холоферменты. Коферменты - универсальные переносчики в ферментативных реакциях. Флавиновые нуклеотиды - флавинмононуклеотид и флавинадениндинуклеотид (FMN и FAD) как простетические группы ряда ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции (глюкозооксидаза). Организующая и определяющая роли апофермента по отношению к простетической группе. Зависимость функции простетических групп от природы апофермента на примере гема (гемоглобин, цитохром С и каталаза) и пиридоксальфосфата (катализ реакций переаминирования и декарбоксилирования аминокислот).

Кинетика ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса–Ментен (вывод с учетом ограничений). Параметры, характеризующие эффективность фермента: константа Михаэлиса и максимальная скорость ферментативной реакции. К_М как мера сродства субстрата к ферменту. Физический смысл величины V_max. Графические методы определения величин К_М и V_max (Лайнуивера–Берка, Иди–Хофсти и Эйзенталя–Корниш-Боудена). Эффекторы: активаторы и ингибиторы. Необратимое ингибирование. Конкурентное и неконкурентнее ингибирование. Аллостерические ингибиторы. Субъединичные ферменты. S-образные зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстратов и эффекторов в субъединичных системах.

Типы реакций в живой клетке

Реакции присоединения. Окислительно-восстановительные реакции. Взаимодействие кислот и оснований. Реакции замещения. Нуклеофильный и электрофильный характер замещения. Реакции перегруппировки (изомеризации).

 

 

Биоэнергетические процессы. Генерирование и хранение метаболической энергии

 

Катаболические и анаболические процессы. Значение катаболических процессов для биоэнергетики клетки. Ферментативный распад белков, жиров и углеводов с образованием АТР – главного донора свободной энергии в клетке. Макроэргические связи в АТР. Факторы, определяющие макроэргичность фосфоангидридных связей АТР и рр_i. Способы синтеза АТР. Енолфосфаты, ацилфосфаты, ацилтиоэфиры.

Никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺) и его фосфат (NADP⁺) - главные переносчики электронов, NADH и NADPH - промежуточные аккумуляторы энергии.

 

Окисление углеводов

Гликолиз и его основные этапы. Образование глюкозо-6-фосфата из глюкозы и гликогена. Изомеризация глюкозо-6-фосфат во фруктозо-6-фосфат. Получение фруктозо-1,6-дифосфата. Расщепление фруктозо-1,6-дифосфата до глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата. Взаимопревращение триозофосфатов. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 3-фосфоглицерат, сопряженное с фосфорилированием карбоксильной группы. Механизм сопряжения. Образование макроэргической связи. Перенос фосфорильного остатка на ADP. Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2- фосфоглицерат. Участие 1,3-дифосфоглицерата в реакции изомеризации. Дегидратация 2- фосфоглицерата и образование макроэргического соединения - фосфоенолпирувата. Пируваткиназа и образование ATP из ADP. Пируват, как конечный продукт гликолиза. Необратимые и лимитирующая реакции гликолиза. Регуляция гликолиза.

Превращение пирувата в анаэробных условиях. Молочно-кислое и спиртовое брожение. Биоэнергетический баланс анаэробного гликолиза. Превращение пирувата в аэробных условиях.

Пируватдегидрогеназный комплекс. Окислительное тиаминпирофосфат зависимое декарбоксилирование пирувата, сопровождающееся переносом остатка ацетальдегида на липоат. Образование ацетилкофермента А. Регенерация окисленного липоата. Энергетический баланс превращения глюкозы в ацетил-CoA. Необратимость и регуляция пируватдегидрогеназного комплекса.

 

Цикл трикарбоновых кислот

ЦТК (цикл лимонной кислоты, цикл Кребса ) как пример биохимического цикла и основной источник образования NADH из NAD⁺. Основные реакции ЦТК. Синтез цитрата из оксалоацетата и ацетил-СоА. Изомеризация цитрата в изоцитрат. Аконитаза. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата. a-Оксоглутарат. Оксоглутаратдегидрогеназный комплекс, механизм, ферменты и коферменты. Перенос сукцинильного остатка на липоат. Образование сукцинил-СоА. Превращение сукцинил-СоА в сукцинат, сопряженное с фосфорилированием GDP. Окисление янтарной кислоты до фумаровой. Гидратация фумарата и образование малата. Окисление малата до оксалоацетата. Биоэнергетический баланс цикла трикарбоновых кислот. Регуляторные и лимитирующая реакции ЦТК. Регуляция ЦТК.

 

Цепь переноса электронов (окислительное фосфорилирование, дыхательная цепь)

Локализация процесса. 4 трансмембранных комплекса и перенос электронов от NADH или FADH₂ к О₂ с образованием АТР. Окисление NADH NADH-Q-оксидоредуктазным комплексом (I). Железо-серные комплексы и кофермент Q - убихинон. Окисление сукцината сукцинат-Q-редуктазным комплексом (II). Окисление восстановленного убихинона QН₂-цитохром-с-редуктазным комплексом (III). Окисление восстановленного цитохрома с цитохром-с-оксидазным комплексом (IV). Цитохромы а и а_3.

Сопряжение окисления и фосфорилирования ADP до АТР протонным градиентом. Возникновение трансмембранного градиента рН при переносе электронов и хемиоосмотическая гипотеза окислительного фосфорилирования. Генерация протонного градиента в трех трансмембранных комплексах (I, III, IV). АТР-синтезирующий комплекс митохондрий. Окисление цитоплазматического NADH дыхательной цепью. Глицеролфосфатный и малат-аспартатный челночные механизмы. Полный биоэнергетический баланс окисления глюкозы.

Окисление жирных кислот

Номенклатура жирных кислот. Гидролиз триацилглицеролов. Активация жирных кислот. Карнитин - переносчик активированных жирных кислот с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану. Дегидрирование СН₂-СН₂-группы ацил-СоА. Гидратация двойной связи и образование b-гидроксиацил-СоА. Окисление оксигруппы до оксогруппы. Перенос b-ацильного остатка на СоА. Биоэнергетический баланс окисления пальмитиновой кислоты до ацетил-СоА. Деградация жирных кислот с нечетным числом атомов углерода. Карбоксилирование пропионил-СоА и изомеризация метилмалонил-СоА с участием биотина и кофермента В₁₂. Биосинтез кетоновых тел. Образование ацетоацетил-СоА, присоединение третьей молекулы ацетил-СоА с образованием 3-гидрокси-3-метилглутарил-СоА. Цикл Линена. Кетоновые тела: ацетоацетат, 3-гидроксибутират и ацетон. Их роль в метаболизме.

 

Катаболизм аминокислот

Окислительное дезаминирование аминокислот оксидазами. Гидролитическое дезаминирование аспарагина и глутамина и элиминирующее дезаминирование серина. Реакции переаминирования между аминокислотами и a-кетоглутаратом. Глутамат- и аланин-аминотрансферазы. Дегидрогеназа глутаминовой кислоты.

Цикл мочевины как путь вывода аммиака из организма млекопитающих. Превращение аммиака в мочевину. Синтез карбамоилфосфата. Присоединение карбамоильного остатка к орнитину и образование цитруллина. Взаимодействие цитруллина с аспартатом с образованием аргининосукцината. Отщепление фумарата и образование аргинина. Замыкание цикла при гидролитическом отщеплении мочевины от аргинина. Биоэнергетический баланс цикла мочевины и его регуляция. Синтез фумарата – связующее звено цикла мочевины и ЦТК.

Превращения углеродных скелетов дезаминированных аминокислот. Образование пирувата и компонентов цикла трикарбоновых кислот, кетогенные и глюкогенные аминокислоты. Образование пирувата в процессах трансаминирования аланина и дезаминирования серина. Превращение аспарагиновой кислоты в фумарат и оксалоацетат. Катаболизм валина как пример деградации разветвленной углеродной цепи. Переаминирование и образование a-оксоизовалерата. Окислительное декарбоксилирование a-оксоизовалерата и образование изобутирил-СоА. Дегидрирование до метакрил-СоА. Гидратация с образованием b-оксиизобутират-СоА. Окисление до семиальдегида метилмалоновой кислоты. Повторное окисление до метилмалонил-СоА. Изомеризация с образованием сукцинил-СоА. Участие В₁₂ - кофермента в реакции изомеризации. Декарбоксилирование аминокислот: серина, цистеина, треонина, аспартата и глутамата. Биогенные амины и их биологические функции.

Альтернативный путь окисления глюкозо-6-фосфата (гексозомонофосфатный шунт, пентозофосфатный путь).

Окислительная и восстановительная части процесса и их основные продукты. Окисление глюкозо-6-фосфата через глюконо-d-лактон-6-фосфат до 6-фосфоглюконата. Окислительное декарбоксилирование 6-фосфоглюконата до рибулозо-5-фосфата. Изомеризация рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат и в рибозо-5-фосфат. Взаимопревращение пентоз и гексоз. Тиаминпирофосфат-зависимый перенос остатка гликолевого альдегида с ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат. Образование седогептулозо-7-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата. Перенос остатка дигидроксиацетона с седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфата и образование фруктозо-6-фосфата и эритрозо-4-фосфата. Перенос остатка гликолевого альдегида с ксилулозо-5-фосфата на эритрозо-4-фосфат с образованием фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата. Полный итог взаимопревращения альдоз и кетоз - образование пяти молекул гексоз из шести молекул пентоз. Биоэнергетический баланс гексозо-монофосфатного шунта. Судьба глюкозо-6-фосфата – четыре механизма участия пентозофосфатного пути – в зависимости от преимущественных потребностей организма: 1) в рибозо-5 фосфате; 2) в NADPH и рибозо-5-фосфате; 3) в NADPH и 4) в NADPH и АТР.

Катаболизм нуклеотидов

 

Расщепление пуриновых нуклеотидов до мочевой кислоты и алантоина. Ресинтез пуриновых нуклеотидов.

Расщепление пиримидиновых нуклеотидов до β-Ala и β-аминоизобутирата.

Глюконеогенез

Синтез глюкозы из неуглеводных предшественников: лактата, аминокислот и глицерола.. Общие реакции для глюконеогенеза и гликолиза. Образование фосфоенолпирувата через промежуточное образование оксалоацетата. Превращение фосфоенолпирувата в гексозофосфат путем обращенной цепи гликолиза. Изменение энергетики при обращении стадий, идущих с существенным падением энергии Гиббса.

Фотосинтез

Локализация фотосинтеза в хлоропластах. Световые и темновые реакции фотосинтеза.

Световая стадия фотосинтеза как индуцированный светом перенос электронов от воды к NADP⁺. Хлорофиллы и концепция фотосинтетической единицы, реакционный центр. Две фотосистемы I и II. Фотосистема I. Восстановленный ферредоксин, и перенос электрона с него на NADP⁺ с образованием NADPH. Фотосистема II. Образование сильного окислителя. Окисление воды до молекулярного кислорода. Перенос электронов от системы II к системе I. Пластохинон, цитохромы b₅₅₉, c₅₅₂ (цитохром f) и пластоцианин - промежуточные переносчики электронов. Создание в процессе переноса электронов протонного градиента и запуск синтеза АТP. Циклическое фотосинтетическое фосфорилирование. Общий энергетический баланс световой стадии фотосинтеза.

Темновая стадия фотосинтеза (Цикл Кальвина). Взаимодействие СО₂ с 1,5-рибулозодифосфатом с образованием двух молекул 3-фосфоглицерата. Рибулозодифосфат карбоксилаза. Фосфорилирование 3-фосфоглицерата с образованием 1,3-дифосфоглицерата и восстановление последнего с помощью NADPH до 3-фосфоглицеринового альдегида. Синтез гексозы из двух молекул триозофосфата. Цепь превращений альдозо- и кетозо-фосфатов при фотосинтезе с регенерацией в конце рибулозо-1,5-дифосфата.. Перенос двууглеродного остатка от фруктозо-6-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием эритрозо-4-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Синтез седогептулозо-1.7-дифосфата из эритрозо-4-фосфата и дигидроксиацетонфосфата. Перенос двууглеродного остатка с седогептулозо-1.7-дифосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Изомеризация рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата в рибулозо-5-фосфат. Фосфорилирование рибулозо-5-фосфат и регенерация рибулозо-1,5-дифосфата. Биоэнергетический баланс синтеза одной молекулы гексозы из СО₂. Регуляция цикла Кальвина.

 

Биосинтез нуклеотидов

Синтез пуриновых нуклеотидов. Образование PRPP из рибозо-5-фосфата и АТР. Взаимодействие PRPP с глутамином и образование 5-фосфорибозил-1-амина. Присоединение остатка глицина и образование глицинамидрибонуклеотида. Происхождение атомов пуринового кольца: аминокислоты и производные тетрагидрофолата, участвующие в синтезе. Формилирование α-аминогруппы глицина с помощью N⁵,N¹⁰-метинил-TGF с образованием рибонуклеотид α-N-формилглицинамида. Превращение в формилглицинамидинрибонуклеотид при взаимодействии с глутамином. Замыкание пятичленного цикла и образование 5-аминоимидазолрибонуклеотида. Взаимодействие с СО₂ с образованием 5-амино-, 4-карбоксиимидазолрибонуклеотида. Взаимодействие с аспарагиновой кислотой с образованием 5-аминоимидазол-4-сукцино-карбоксамидрибонуклеотида. Отщепление фумарата и образование 5-формамидоимидазол-4-карбоксамидрибонуклеотида. Его циклизация с образованием 5'-IMP. Пути превращения 5'-IMP в 5'-AMP и 5'-GMP.

Синтез пиримидиновых нуклеотидов. Синтез карбамоиласпартата. Дигидрооротаза и образование дигидрооротата. Дигидрирование его до оротата. Взаимодействие оротата с 5-фосфорибозил-1-пирофосфатом (ФРПФ) и образование оротидин-5'-фосфата. Декарбоксилирование оротидин-5'-фосфата и образование 5'- UMP. Превращение 5'-NMP в 5'-NDP и 5'-NTP. Синтез CTP из UTP. Восстановление рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов. Восстановительное метилирование dUMP с образованием TМP с помощью N⁵,N¹⁰-метилен- тетрагидрофолата (TGF) и дегидрирование кольца TGF в ходе этой реакции. Образование 7,8-дигидрофолата.

Биосинтез аминокислот

Превращение N₂ в NH₄ микроорганизмами. Нитрогеназный комплекс. Включение NH₄ в аминокислоты через глутамат и глутамин. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Шесть биосинтетических семейств. Введение аммиака в a-оксоглутарат. Переаминирование оксалоацетата с образованием аспарагиновой кислоты и пирувата с образованием аланина. Образование амидов аминодикарбоновых кислот. Аспарагин и глутамин синтетазы. Биосинтез треонина как пример синтеза незаменимой аминокислоты. Фосфорилирование аспартата, последовательное восстановление 4-фосфоатаспарагиновой кислоты с образованием аспартат-β-полуальдегида и гомосерина, кинирование гомосерина и образование треонина, катализируемое треонин синтазой.

Превращение метионина в гомоцистеин через S-аденозилметионин. Образование цистатионина из серина и гомоцистеина, и его превращение в цистеин.

 

Библиографический список

 

Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1998, 2000.

Страйер Л. Биохимия. 3 т. М.: Мир, 1984.

Биохимия: Учеб. / Под ред. Е.С. Северина. М.: ГЭОТАЗ-МЕД, 2004; 2005.

Албертс Б. Молекулярная биология клетки. 3 т. М.: Мир, 1994.

Ленинджер А. Основы биохимии. 3 т. М.: Мир, 1985.

Мецлер Д. Биохимия. 3 т. М.: Мир, 1980.

 

Программа учебного курса

«Биохимия»,

читаемого студентам-химикам 2-го курса факультета естественных наук НГУ

 

В. Н. Бунева

 

Введение

Метаболизм, его основа – катаболизм и анаболизм. Ферментативный катализ. Основные сложные органические биомолекулы – биополимеры, клетки: ДНК, РНК, белки, углеводы (полисахариды) и липиды. Мономеры биополимеров. Главные биологические функции биополимеров.

 

Биополимеры

Химическое строение белков, углеводов, нуклеиновых кислот и липидов

Белки. Биологические функции: структурообразующие, запасные, транспортные, двигательные, защитные, регуляторные и двигательные. Мономеры белков – аминокислоты: биологические функции, общая структура, изомерия. Проекции Фишера. Цвиттерионы. Классификация 20 протеиногенных аминокислот (трех- и однобуквенные обозначения): алифатические, серосодержащие, ароматические, иминокислоты, нейтральные, кислые и основные. Посттрансляционная модификация аминокислот: гидроксипролин, γ-карбоксиглутамат, О-фосфосерин, их биологическая роль. Первичная структура пептидов и белков: пептидная связь, направление последовательности акислот, S-S-мостики. Понятие о пространственной структуре белков и нековалентных взаимодействиях, обеспечивающих ее: вторичная (α-спираль, β-складки), третичная и четвертичная структуры.

Углеводы. Биологические функции моно- и полисахаридов. Структура моносахаридов. Альдозы и кетозы. Простейшие триозы: глицеральдегид и дигидрокси ацетон, D- и L- изомеры. Важнейшие моносахариды: глюкоза, фруктоза и рибоза. Образование циклических полуацеталей. Фуранозы и пиранозы. α-и β-аномеры. Проекционные формулы Хеуорса и Фишера. Эпимеры глюкозы: галактоза и манноза. Важнейшие производные моносахаридов: O- и N-гликозиды, фосфомоноэфиры и их биологическое значение. Структура полисахаридов. Гомо- и гетерогликаны. Линейные и разветвленные. Важные полисахариды (мономеры, тип связи(ей), биологическое значение): гликоген, муреин, декстран, агароза, целлюлоза, крахмал (амилоза и амилопектин), инулин и хитин. Гиалуроновая кислота – глюкозаминогликан, мономеры и биологические функции. O- и N-гликопротеины.

Нуклеиновые кислоты. Биологические функции нуклеиновых кислот и нуклеотидов. Азотистые основания ДНК и РНК. Модифицированные минорные компоненты гетероциклов. Рибоза и дезоксирибоза. Нуклеозиды. Нуклеотиды. Электрохимические и спектральные характеристики компонентов нуклеиновых кислот. Межнуклеотидная связь. Олиго- и полинуклеотиды. Понятие о пространственной структуре ДНК (двойная спираль, А-, В- и Z-формы) и РНК («шпильки», «кленовый лист»).

Липиды. Биологические функции липидов. Классификация липидов: нейтральные жиры, фосфо-, сфинголипиды и стероиды. Жирные кислоты и их биологические функции. Структура и номенклатура жирных кислот. Арахидоновая кислота как пример незаменимой жирной кислоты. Структура жиров. Фосфатидная кислота и структура фосфолипидов. Сфинго- и гликолипиды и их главные компоненты. Стероиды. Базовая структура стероидов – пергидроциклофенатрен (холестан). Классификация стероидов: стерины, желчные кислоты и стероидные гормоны. Холестерол как важный представитель стеринов. Желчные кислоты и стероидные гормоны, их биологические функции.

 

Ферменты