Биохимия доступным языком. Учебник-репетитор

Биохимия доступным языком

Учебник-репетитор

Юрий Кривенцев

Рецензенты:

Николаев А. А., доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой биоорганической химии Астраханского государственного медицинского университета

Бойко О. В., доктор медицинских наук, профессор кафедры зооинженерии и морфологии животных Астраханского государственного университета

© Юрий Кривенцев, 2021

ISBN 978-5-4496-9885-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

От автора

Привет, читатель!

Публикация этой книги – вынужденная мера, направленная на значительное облегчение работы учащихся, постигающих основы биохимии.

Я уже 26 лет преподаю этот предмет в университете и давно понял, насколько нуждаются студенты в подобном издании. Так сложилось, что слушатели российских вузов считают биологическую химию одной из самых трудных наук. Почему? Тут три причины. Во-первых, эта дисциплина совершенно нова для обучающихся (согласитесь, анатомия, физиология и др. знакомы им еще со школы, их учить легче). Во-вторых, биохимия – довольно абстрактная наука, для ее постижения следует тренировать воображение, логику. Ну, и в-третьих, большинство учебников по этому предмету написаны в заумном академическом стиле, понимание которого доступно далеко не каждому.

Так что делать? Ответ прост – ОБЪЯСНЯТЬ простым доходчивым языком, на каждом занятии, на каждой лекции. Поверьте, это реально помогает, студенты начинают вникать, у них загораются глаза, они вдруг понимают, что биохимия вовсе не страшна, более того – интересна. С высоты своего опыта могу заявить, такой подход эффективен, это многократно доказано результатами экзаменов.

Но всех не охватишь. Я работаю лишь в своих группах, на своем факультете. Конечно, этого мало, багаж наработанного годами начинает рваться наружу. Убежден, что публикация книги-репетитора по биохимии (без формул и уравнений, они есть в учебниках), написанной максимально простым, доходчивым языком, жизненно необходима как для моих подопечных (ведь одно дело – слова, которые можешь забыть, и совсем иное – готовые записи), так и для студентов любого вуза России, где преподают биологическую химию.

Сказано – сделано. Книжка перед вами, уважаемые студенты. Это квинтэссенция знаний по биохимии, труд, в котором я избавился от «воды», которой изобилуют учебники и оставил только самое важное, лишь то, что с вас будут требовать преподаватели. Поверьте, эта книжонка поможет, разъяснит, разложит все по полочкам, откроет глаза. Ориентирована она, в основном, на учащихся медицинских вузов, но будет полезна и другим.

Предупреждаю, это издание – не панацея, хоть оно значительно упростит вашу работу, сделает предмет гораздо понятнее, но не полностью заменит ваш учебник. Открыв эту книгу, вам не надо будет читать нудные длиннющие тексты учебника, но вот графики и уравнения реакций придется брать именно оттуда (не переживайте, я укажу, что из письменного материала следует выучить, а что можно пропустить, как ненужное).

Покупать ли ее? Решайте сами. Можно пройти мимо, и (не дай Бог) завалить сессию, можно регулярно платить репетитору немалые деньги, а можно один раз приобрести своего бумажного учителя, и вы быстро убедитесь, что он далеко небесполезен.

Удачи в учебе!

ПЕРВЫЙ СЕМЕСТР

Глава I БЕЛКИ

Белки (синоним – протеины) – биологические полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных друг с другом пептидной связью. Пептидная связь – ковалентная (следовательно – прочная), поэтому белковую нить не так уж легко порвать.

Почему мы начинаем наш курс с белков? Да потому, что они – основа всего живого, белки и только белки (ферменты) обеспечивают все функции организма, саму суть жизни, из них построено наше тело. Да что говорить? Проще перечислить их функции (по мере их значимости):

1. Каталитическая (ферменты) – важнейшая;

2. Структурная (коллаген, альфа-кератины);

3. Транспортная (альбумин), в том числе и дыхательная (гемоглобин);

4. Защитная (антитела);

5. Регуляторная (белки-гормоны);

6. Сократительная (актин и миозин);

7. Буферная (гемоглобин);

8. Онкотическая (белки плазмы);

9. Резервная (белки плазмы).

Обратите внимание, я не назвал энергетическую функцию. Почему? Напомню, энергию организм получает путем окисления вещества, его разрушения. Белки – самый ценный, дефицитный материал в природе и расщеплять их ради энергии нерационально, это все равно, что забивать гвозди микроскопом.

I. Аминокислоты

Обратите внимание на мономер протеина – аминокислоту. Их множество, но ключевых всего два десятка. И формулы всех двадцати вам придется заучить. Чем раньше вы это сделаете, тем меньше будет проблем. Это необходимо, поскольку аминокислоты будут вас преследовать до конца курса биохимии. Без этого знания вы просто не сможете двинуться дальше (вспомните начальные классы школы: чтобы научиться читать, надо выучить все буквы, без этого – никак. Так и здесь).

Подскажу, как легче учить формулы аминокислот, используя тот же системный (логический) подход. Вслушайтесь: «аминокислота». Значит, у этого вещества есть аминогруппа (NH2) и кислотная группа (СООН), между ними должен быть атом-связка (СН), куда ж без него? Эта тройная структура есть в каждой аминокислоте (кроме пролина). Выходит, все аминокислоты отличаются друг от друга лишь строением радикала, который крепится к атому-связке. Вот мы и выучили половину. Осталось запомнить только 20 радикалов. И тут уж постарайтесь.

Важно знать классификацию аминокислот. Привожу ее ниже:

1. Гидрофобные: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин1;

2. Гидроксиаминокислоты: серин, треонин;

3. Кислые: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота;

4. Амиды: аспарагин, глутамин;

5. Основные: лизин, аргинин;

6. Серосодержащие: цистеин, метионин;

7. Ароматические: фенилаланин, тирозин;

8. Гетероциклические: триптофан, гистидин;

9. Иминокислоты: пролин.

Замечу, подчеркнуты восемь незаменимых2 аминокислот.

Знание этой классификации пригодиться, т. к. в контрольной по белкам и, особенно, на экзамене, часто встречаются вопросы, типа: «какая из перечисленных аминокислот является незаменимой?», или: «нарисуйте амидные аминокислоты» (сами понимаете, чтобы их изобразить, надо знать, что к этой группе относятся аспарагин и глутамин).

II. Глобулярные белки

По форме молекул белки подразделяются на:

– глобулярные;

– фибриллярные.

Молекулы глобулярных белков в высшей структуре имеют сферическую форму. Они прекрасно растворимы в воде, что определяет их функциональную направленность. В естественном состоянии все глобулярные протеины находятся в растворенном состоянии: как внутри клеток, так и в различных биологических жидкостях организма. Глобулярные белки выполняют множество разнообразных функций. Они имеют четыре уровня структуры:

1. Первичная структура – линейная последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями. Имеет вид нити. У нее два конца: N-конец (свободная NH2-группа) и С-конец (свободная СООН-группа).

2. Вторичная структура – пространственная укладка первичной цепи. Она имеет два вида:

а) альфа-спираль – правозакрученная спираль цепи, фиксируемая водородными связями между группами СО и NН основной пептидной цепи. Эта форма характерна для белков человека и высших животных;

б) бета-структура – несколько (до 6) параллельно расположенных пептидных цепей (направленных в обратные стороны относительно друг друга), соединенных между собой теми же поперечными водородными связями между СО и NН.

3. Третичная структура – укладка вторичной спирали в более компактную форму. Чаще это самая удобная форма в природе – шарик, по-латински – глобула. Не забывайте, что человек – ходячий водный раствор, и все его белки находятся в водной среде. Третичная форма – это округлое образование, все гидрофобные (нерастворимые) радикалы которой находятся внутри глобулы, скрыты от окружающей водной стихии, а гидрофильные, наоборот – торчат наружу, покрывая все тело глобулы (как иглы ежа), притягивая воду к себе, создавая плотную гидратную оболочку.

Третичную структуру стабилизируют 4 вида связей:

а) водородные – образуются между радикалами с участием водорода. Например: ОН-группа серина и азот гистидина;

б) электрофильные – возникают между разнозаряженными частицами аминокислот. Пример: положительно заряженный лизин и отрицательная аспарагиновая кислота. Примечание: не стоит называть электрофильные связи – ионными, это грубая ошибка;

в) гидрофобные – формируются между радикалами гидрофобных аминокислот (их список приведен в классификации);

г) дисульфидные – единственный вид ковалентных связей в третичной структуре. Образуется между двумя остатками аминокислоты цистеин, формирующих мостик: S-S.

4. Четвертичная структура – характерна далеко не для всех протеинов (для большинства белков высшей структурой является третичная). Представляет собой объединение нескольких глобул воедино, их число всегда четное, от двух до нескольких тысяч. Такой белок называют мультимером (или олигомером), а каждую из его глобул – протомером, или субъединицей.

Связи четвертичной структуры:

а) водородные;

б) электрофильные;

в) гидрофобные.

Замечу, что все связи в третичной и четвертичной структурах образуются только между радикалами аминокислот.

Таким образом, мы видим, что в белковой структуре имеются два вида ковалентных (прочных) связей: пептидная и дисульфидная и три вида нековалентных (слабых) связей: водородные, электрофильные и гидрофобные.

Классическим примером мультимера является гемоглобин (Hb), молекула которого построена из 4-х протомеров, каждый их которых имеет в своем составе небелковую часть – гем, с ионом железа в центре. Именно гем отвечает за связывание и транспорт кислорода.

Выделяют 4 основных типа гемоглобина:

HbА1 – гемоглобин взрослого, его молекула построена из двух α- и двух β-субъединиц. На его долю приходится более 90% общего гемоглобина.

HbА2 – минорный. 2 α и 2 δ частицы. 1% от общего Hb.

HbF – фетальный (2 α, 2 γ). Является основным гемоглобином плода.

HbP – эмбриональный (2 α, 2 ε). Преобладает у эмбриона.

III. Фибриллярные белки

Высшие структуры фибриллярных белков имеют форму длинной нити, они плохо растворимы в воде. Практически все они выполняют важнейшую структурную функцию. Иначе говоря, из фибриллярных белков построено наше тело. Классификация фибриллярных протеинов по строению:

– α-фибриллярные белки (α-кератины);

– β-фибриллярные белки (β-кератины);

– белки коллагенового типа.

1. α-фибриллярные белки (α-кератины)

α-кератины являются основным структурным компонентом покровных тканей организмов позвоночных. На их долю приходится большая часть сухого остатка кожи и ее производных: волосы, ногти, когти, рога, копыта, иглы, панцирь, чешуя.

а) Первичная структура имеет ряд особенностей: а) много аминокислот с гидрофобными радикалами. Поэтому α-кератины совершенно нерастворимы в воде; б) значительное количество цистеина; в) α-кератины спирализованы по всей длине, а т. к. пролин нарушают спирализацию, в их составе его нет.

б) Вторичная структура α-кератинов – классическая α-спираль (см. выше).

в) Третичную структуру этих протеинов можно рассмотреть на примере построения волоса. Три параллельно расположенных α-спирализованных цепи, с одинаковой направленностью жестко связаны друг с другом большим количеством поперечных дисульфидных связей (для этого и нужен цистеин). Триада спирализованных цепей полого закручиваются относительно друг друга, образуя суперспираль (протофибрилла).

2. β-фибриллярные белки (β-кератины)

В организме позвоночных отсутствуют β-кератины. Эти белки характерны для чуждого нам мира организмов – членистоногих. Наиболее типичные примеры: фиброин шелка и кератин паутины. Основной отличительной особенностью построения подобных белков является β-структура.

а) Первичная структура. В β-кератинах преобладают аминокислоты с маленькими, необъемными радикалами: глицин (до 50%), аланин и др. В составе фиброина шелка, например, 50% глицина. Пептидные цепи β-кератинов плотно прижаты друг к другу, что исключает присутствие крупных аминокислот. Благодаря такой компактности β-кератины являются самыми прочными волокнами в природе.

в) Вторичная структура – классическая β-структура, описанная выше.

3. Фибриллярные белки коллагенового типа

Если α-фибриллярные белки лежат в основе построения покровных тканей позвоночных, а β-кератины в организме человека вообще отсутствуют, то протеины коллагенового типа являются основным строительным компонентом опорных тканей (соединительная ткань и ее производные: кости, сухожилия, связки, хрящи).

Важнейшим компонентом соединительной ткани является коллаген. Это самый распространенный белок человеческого организма (1/3 от массы сухого остатка тела). Основная его функция – обеспечение механической прочности органов и тканей.

а) Первичная структура – преобладают: глицин (до 33%), аланин (11%), гидроксипролин и гидроксилизин (21%). Стоит заметить, что гидроксипролин специфичен только для коллагена.

б) Вторичная структура – тропоколлаген – 3 коллагеновых нити, объединенные в общую суперспирализованною частицу.

в) Третичная структура – множество единиц тропоколлагена, соединенных в единое коллагеновое волокно ковалентными (эфирными лизин-лизиновыми) связями.

Другим важным соединительнотканным протеином является эластин. Его структурная организация во многом схожа с коллагеновой, но имеется ряд существенных отличий. В первичной структуре очень мало пролина. Это объясняет высокую спирализованность эластиновых цепей во вторичной структуре. Следует отметить, что эти спирали, обеспечивающие высокую растяжимость, не имеют ничего общего с классическими α-спиралями.

IV. Белок в растворе

Практически все глобулярные протеины прекрасно растворимы в воде. Факторы, удерживающие белок в растворе:

а) Заряд белковой молекулы. Одноименно заряженные молекулы протеина, отталкиваясь друг от друга, не могут слипаться вместе и выпадать в осадок, что способствует их нахождению в растворе.

б) Гидратная оболочка. Как уже говорилось, поверхность глобулярного белка усеяна растворимыми радикалами, поэтому вокруг таких глобул образуется плотная водная оболочка, препятствующая слипанию и осаждению белка.

Осаждение белка в водных растворах, как правило протекает в две стадии: агрегация белковых молекул и их выпадение в осадок. Этот процесс называют коагуляцией.

Различные виды осаждения можно разделить на:

1. Необратимое. Чаще всего это денатурация – это необратимое разворачивание белка в первичную нить. Он теряет четвертичную, третичную и вторичную структуры. Понятно, что при этом белок лишается не только формы, но и всех своих функций и растворимости, но сохраняет аминокислотный состав. Причинами денатурации могут быть как физические (нагревание, радиация и др.) и химические (воздействие кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, спиртов, эфиров, и т. д.).

2. Обратимое осаждение (коагуляция) характерно для:

а) Изоэлектрического состояния – когда рН (кислотность) раствора нейтрализует заряд молекул белка, что неизбежно приводит к осаждению. При изменении кислотности в любом направлении растворимость протеина вновь восстанавливается за счет приобретения заряда.

б) Высаливание – осаждение белка при добавлении солей щелочных металлов. Ионы солей стягивают гидратные оболочки белка и нейтрализуют его заряд. Оба фактора, удерживающих белок в растворе, исчезают, что приводит к обратимой коагуляции.

Адсорбционная пептизация – вторичное растворение осажденного белка в избытке солей тяжелых металлов.

Соотношение процессов денатурации и коагуляции белка неоднозначно. Возможны три варианта:

– Денатурация с коагуляцией – возникают при кипячении в нейтральной, слабокислой или слабощелочной среде;

– Денатурация без коагуляции – происходит в сильнокислой или сильнощелочной среде:

– Коагуляция без денатурации – характерна для высаливания или изоэлектрического состояния.

Глава II ФЕРМЕНТЫ

Что может быть важнее ферментов (энзимов)? Любой биохимик ответит – ни-че-го. Если белки – самый значимый класс биологических молекул, то энзимы – ключевая группа белков (аналогия: белки – дворянство химического мира, ферменты – королевский двор).

Жизнь – это, прежде всего – процесс, совокупность сложнейших функций, каждая из которых – набор биохимических реакций, и все эти реакции катализируют ферменты. Таким образом, энзимы – первейшая основа жизни.

I. Ферменты, их строение, изоферменты

1. Общая характеристика

Ферменты – биологические катализаторы. Это доказывает сходство ферментов и катализаторов:

1. повышают скорость химической реакции;

2. действуют в мизерных концентрациях;

3. не расходуются в ходе реакции;

4. не смещают химическое равновесие реакций.

Но, поскольку все ферменты являются белками, существует ряд их отличий от неорганических катализаторов:

1. ферменты более активны;

2. они регулируемы;

3. работают только в узких рамках физиологических параметров (температура, рН и др., см. ниже);

4. ферменты специфичны.

Рассмотрим подробнее типы специфичности ферментов:

а) абсолютная: один фермент реагирует только с одним видом субстрата3 (обозначается – S) в реакции только одного типа. Это самый распространенный тип специфичности, поэтому он не нуждается в примерах;

б) относительная: 1 фермент – несколько субстратов – 1 реакция (пример: пищеварительные ферменты);

в) стереоспецифичность: фермент работает только с одним из изомеров субстрата (пример: малатдегидрогеназа).

2. Строение сложных ферментов

Замечу, что энзимы (как и все белки) делят на простые и сложные. Простые – их молекула построена только из аминокислот. Сложные – в их состав входит также небольшая небелковая часть.

Рассмотрим подробнее строение сложных ферментов. Белковая часть их молекулы (бо̀льшая по размеру) – апофермент; небелковая – кофактор.

Кофакторы делят на:

а) кофермент – связан с апоферментом легко, нековалентно и поэтому может на время отходить от белковой части;

б) простетическая группа – связана с апоферментом ковалентно, жестко.

3. Строение активного центра

Активный центр – это рабочий орган фермента, с его помощью энзим и проводит реакцию катализа. В его состав входят аминокислотные последовательности и кофактор (у сложных энзимов). Активный центр построен из двух частей:

а) контактная площадка – особая «выемка» в теле фермента, она выполняет две функции: во-первых, контакт с субстратом (S) и его удержание; во-вторых, она по форме и положению функциональных групп идеально сочетается с субстратом (и только с ним), следовательно, обеспечивает специфичность.

б) каталитический участок – «сердце» энзима, именно он обеспечивает катализ, т. е. – ускорение реакции. Если фермент сложный, то его кофактор является тем самым каталитическим участком.

4. Аллостерический центр

Если активный центр есть у каждого фермента, то аллостерический – лишь у избранных (о них я расскажу позднее), эту группу так и называют – аллостерические ферменты.

Аллостерический центр не похож на активный и выполняет иную функцию – регуляторную. К нему могут специфически присоединяться только особые вещества – эффекторы (модификаторы), которые делятся на: активаторы (ускоряют работу энзима) и ингибиторы (замедляют).

Таким образом, аллостерический центр можно сравнить с «выключателем», с помощью которого можно управлять ферментом (а, следовательно – и химической реакцией), т. е. подстегивать его работу или, наоборот, притормаживать. Повторю4, функция аллостерического центра – регуляция скорости химического процесса.

5. Изоферменты – разные формы одного фермента, немного различающиеся по строению, свойствам, но катализирующие одну и ту же реакцию.

Единственный пример изоферментов, который вы должны знать – ЛДГ (лактатдегидрогеназа). Молекула этого белка построена из 4 субъединиц, каждая из которых может быть Н- или М-типа.

Таким образом, мы видим, что получается всего 5 комбинаций, которые приведены ниже:

ЛДГ-1 – построена из 4-х Н-протомеров (НННН). Содержится, в основном, в сердце;

ЛДГ-2 – НННМ (в сердце);

ЛДГ-3 – ННММ (в почках и легких);

ЛДГ-4 – НМММ (в печени);

ЛДГ-5 – ММММ (в печени и скелетных мышцах).

Эти изоформы имеют большое значение в медицине, как маркеры разрушения (деструкции) клеток. В норме, уровень ЛДГ в крови очень низок, но при массивной гибели клеток (некроз, инфаркт, агрессивное вирусное воспаление) повышаются отдельные изоформы. Например, при вирусном гепатите (болезнь печени) подскакивает уровень ЛДГ 4-й и 5-й изоформ. При инфаркте миокарда резко увеличивается концентрация ЛДГ 1-й и 2-й изоформ, которые находятся в сердце. Замечу, что при ишемической болезни сердца (ИБС, стенокардия) ЛДГ будет в норме; этот тест прекрасно помогает отличить ИБС от инфаркта (это важно, поскольку лечение при этих заболеваниях отличается).

6. Мультиферментные системы

Надо помнить, что в нашем организме нет отдельных химических реакций, есть процессы – несколько последовательных реакций, выполняющих какую-то функцию. Если, к примеру, в процессе 6 реакций, значит его обеспечивают 6 видов ферментов. Все просто. Обычно эта группа энзимов беспорядочно взвешена (растворена) в цитоплазме, или иной жидкости, в такой системе нет выраженной последовательности. Но бывают и другие типы расположения ферментов: мультиферментная система – группа ферментов, катализирующих реакции одного процесса и жестко фиксированных (на мембране или органелле) в порядке следования реакций. Такой подход выгоден, т. к. сокращает время процесса (увеличивает скорость). Представьте, стоит субстрату связаться с активным центром первого фермента и он «попал», S уже не вырвется, он обречен перескакивать с одного активного центра на другой, пока не пройдет все превращения до последнего.

Примеры: мультиферментных систем: дыхательная цепь; пируватдегидрогеназный комплекс; альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс.

II. Кинетика и механизм ферментативных реакций

1. Кинетика ферментативных реакций

Как правило, к этой теме студенты подходят с опаской. Их пугает раздутая математическая часть. А зря. Ведь 90% этого «ужаса» можно спокойно пропустить. Из письменного материала вам необходимо запомнить лишь три легчайших графика и одно уравнение. Если разобраться, это довольно простая, логически стройная, интересная тема. Итак, приступим.

Кинетика – раздел физикохимии, изучающий скорость химических реакций и факторы, влияющие на нее.

Разберемся с терминами.

Энергия активации – минимальная энергия, необходимая для запуска реакции. Она количественно равна барьеру отталкивания между молекулами. Понятно: чем больше барьер (чем выше энергия активации), тем ниже скорость реакции. Значит, чтобы ускорить реакцию, надо понизить энергию активации (что и делают ферменты).

Молекулярность – число, равное количеству молекул, участвующих в акте реакции. Пример: если в одном акте реакции участвуют две молекулы (скажем: щелочь и кислота), молекулярность равна двум. Молекулярность может иметь только следующие значения: 1, 2 и 3.

Порядок реакций. В учебниках определение порядка дано настолько отвратительно, что 99% студентов не понимают его суть. Даю свое определение. Порядок – числовая величина, показывающая, от концентрации скольких веществ зависит скорость химической реакции. Как видите, все просто. Если скорость реакции зависит от концентрации двух веществ, порядок равен 2, если от одного – единице. Если порядок равен нулю, это говорит о том, что скорость вообще не зависит от концентрации.