2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

БИОХИМИЯ

под редакцией профессора Коневаловой Н.Ю.

Витебск, 2017

СОДЕРЖАНИЕ

С.

I.Курс лекций

22.Обмен белков и аминокислот. Азотистый баланс. Переваривание белков. 229

26.Превращение аминокислот по радикалу. Обмен серосодержащих кислот. 253

3

4

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ В БИОХИМИЮ. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

Содержание предмета биохимии

1.Состав, строение и химическая характеристика веществ живого организма.

2.Биоэнергетика.

3.Обмен веществ: катаболизм – анаболизм.

4.Регуляция метаболизма.

5.Молекулярные основы наследственности и морфогенеза.

6.Молекулярные механизмы специфических физиологических процессов.

7.Особенности биохимических процессов в органах и тканях.

Связь биохимии с другими дисциплинами

Фармакология, клинические дисциплины, фарм. химия, токсикологическая. химия

Объекты биохимических исследований

1.Организмы.

2.Изолированные органы.

3.Срезы органов.

4.Гомогенаты органов.

5.Экстракты из органов.

6.Клетки.

7.Дрожжи, бактерии.

8.Субклеточные компоненты:

a) мембраны, б) органоиды, в) цитозоль.

9.Ферменты.

10.Биологические жидкости.

5

Методы биохимических исследований

1.Аналитический метод.

2.Изотопный метод.

3.Колориметрия.

4.Спектрофотометрия.

5.Хроматография.

6.Электрофорез.

7.Центрифугирование:

a)простое,

б) ультра, в) в градиенте концентрации.

8. Анализ ферментной активности.

Биохимия и медицина

Зачем биохимия нужна врачу?

Отец клинической биохимии – Гиппократ.

История эта началась лет за 400 до нашей эры. Легендарный Гиппократ заметил: если больной страдает неукротимой жаждой, слаб и худ, несмотря на волчий аппетит, если он частенько теряет сознание, особенно наевшись винограда, столь распространенного на земле Эллады, то его моча сладкая на вкус. Благодаря философскому восприятию жизни, свойственному древним грекам, Гиппократ счел такой метод диагностики сахарного диабета вполне естественным и даже передал его своим ученикам. Так отец научной медицины дал жизнь клинической биохимии.

Ломоносов о роли химии.

«Широко простирает химия руки свои в дела человеческие» (биохимия – в тела), а потому писал Ломоносов еще в XVIII веке: «Ме-

дик без совершенных познаний в химии совершенен быть не может».

Задача биохимии: полное понимание на молекулярном уровне природы всех химических процессов, связанных с жизнедеятельностью клетки.

Её решить можно:

Выделив из клетки соединение и определив его структуру (ста-

тическая биохимия) – установить функцию (динамическая биохимия).

Факторы, приводящие к развитию болезней

1.Физические – травмы, действие температуры.

2.Химические и лекарственные.

6

3.Биологические (грибы, вирусы, паразиты, бактерии).

4.Кислородное голодание (потеря крови, заболевания органов дыхания).

5.Генетические.

6.Иммунологические.

7.Нарушение пищевого баланса.

Все эти факторы влияют на биохимические процессы в клетке.

Биохимия позволяет:

1.Выявить причину болезни.

2.Предложить методику обследования для ранней диагностики (фенилкетонурия).

3.Предложить метод лечения.

4.Следить за ходом болезни.

5.Контролировать эффективность лечения.

6.Изучить фармакодинамику лекарств с помощью биохимического мониторинга организма.

7.Изучить фармакокинетику лекарств с помощью биологических методов определения действующих начал и метаболитов лекарств во времени.

В последнее время среди населения все большее значение приобретает самолечение, рост которого обеспечен и в будущем. Аптека, чаще всего, является первым контактным пунктом для пациента с небольшими расстройствами здоровья, а провизор – единственным контактным лицом. Тем самым растет ответственность провизора. Он не может заменить собой врача, однако в силу своего образования и опыта работы с лекарствами, он – незаменимый консультант пациента. В колоссальной массе препаратов он должен выбрать нужные лекарства, а в случае необходимости, выслушав определенные жалобы, провизор рекомендует безотлагательно обратиться к врачу. Все эти функции требуют знания биохимии.

Дождавшись симптомов, распознаваемых традиционными врачебными методами, мы зачастую застаем самый разгар заболевания. Знание же химических основ жизни позволяет обнаружить болезнь в самом начале.

Врожденное заболевание фенилкетонурия приводит к умственной отсталости маленьких детей, а иногда и к смерти. Чтобы вовремя распознать болезнь, достаточно капнуть на пеленку, подмоченную новорожденным, раствор хлорида железа. И если цвет пятна изменится, ребенка придется кормить специальной пищей, в которой нет аминокислоты фенилаланина – ее неправильный обмен приводит к самоот-

7

равлению младенца. Пища эта гастрономических наслаждений не доставляет, но придется потерпеть несколько лет, пока нормализуется обмен.

Принципы биохимического анализа просты: взять пробу, удалить из нее то, что мешает, перевести вещество в легко определяемую форму (например, окрашенную), измерить, пересчитать... А вот как выглядит в клинической лаборатории анализ, например, на сахар.

У пациента берут кровь, в данном случае – из пальца, хотя для большинства других биохимических анализов этого не достаточно, приходится колоть вены. К пробе крови добавляют трихлоруксусную кислоту, чтобы удалить белок, мешающий анализу. Хлопья белка осаждают центрифугированием. К точно отмеренному объему надосадочной жидкости добавляют цветовой реагент – ортотолуидин в концентрированной уксусной кислоте. Пробу кипятят, и из глюкозы образуется продукт зеленого цвета. Степень окраски измеряют на фотоэлектроколориметре и по ней определяют, сколько было в растворе глюкозы. Для полноты картины добавим, что лаборант работает во вредных условиях труда, т.к. уксусная кислота вызывает аллергию, а ортотолуидин обладает канцерогенными свойствами.

Есть более простой метод, но и более дорогой, основанный на использовании ферментов как аналитических реагентов. При окис-

лении глюкозы ферментом глюкозооксидазой до глюконовой кислоты попутно образуется перекись водорода, концентрацию которой измерить гораздо проще, чем самой глюкозы. Для этого надо добавить еще одну систему реагентов: фермент пероксидаза – ортотолидин (не путать с ортотолуидином). В этой системе ортотолидин окисляется, меняет желтую окраску на синюю. Интенсивность окраски соответствует концентрации перекиси водорода и, следовательно, глюкозы. Метод кажется сложным, а процедура анализа предельно проста: к пробе крови приливают раствор, содержащий все перечисленные реагенты, ждут несколько минут и измеряют интенсивность окраски. Белки крови ферменту не мешают, осаждать их не надо.

В последнее время активно разрабатываются методы «сухой химии». Реакция проходит на пластиночке, куда впрессован твердый реагент. Пластинка одноразовая – померил и выбросил, ничего мыть не надо. Диабетику, особенно в условиях платной медицины, в конечном счете, выгоднее делать за несколько минут анализы дома самому, чем обращаться каждый раз в клинику. Тем более что больной со стажем прекрасно знает врачебные рекомендации, которые последуют после того или иного результата исследования. Итак – дело за аппаратурой. Развитию «сухой химии» помогли полеты в космос.

Традиционные земные методы клинической биохимии в космосе не годятся. А диагностика там нужна. В 1985 году из-за тяжелой бо-

8

лезни космонавта Владимира Васютина пришлось экстренно возвращать на Землю экипаж из трех человек. В 1987 году по решению врачей до срока вернулся с орбиты Александр Лавейкин, отработавший несколько месяцев на космической станции. Если бы на борту были возможности для биохимических исследований, многих неожиданностей удалось бы избежать.

Первый «сухохимический» анализатор появился на борту станции «Салют-7» вместе с космонавтом Александром Александровым. В Институте медико-биологических проблем (ИМБП) ученые имитиро-

вали действие на людей длительной невесомости и обнаружили неполадки в работе желудка и кишечника. Они легко устранялись изменением диеты, а диагностировать их можно было по форме сахарной кривой. Дело оставалось за малым – провести такое исследование на борту космической станции.

Прибор удалось получить благодаря «Интеркосмосу». Французские партнеры предложили портативный глюкометр величиной с карманный радиоприемник. Он питался от батарейки «Крона» и определял за минуту концентрацию глюкозы в капельке крови, выдавленной на специальную тест-полоску. Ее реагентная зона содержала все ком-

поненты, необходимые для ферментативного анализа. Сверху реагентная зона была прикрыта прозрачной полупроницаемой мембраной, пропускавшей плазму, но задерживающей клетки крови.

Одна глюкоза – это еще не диагностика. К середине 80-х годов появились «сухо-химические» анализаторы, определяющие в крови до

десятка параметров, но манипуляции с ними были еще слишком сложны для невесомости. А события торопили. Полеты удлинялись, и опасность заболеть на орбите стала реальной.

То, что нужно для космической лаборатории, нашлось на выставочном стенде фирмы «Boehringer Mannheim». Фирма сейчас активно

использует в рекламе полет ее «Рефлотрона» в космос. Он может определять 15 биохимических показателей, причем крови надо совсем чуть-чуть, и никаких промежуточных операций. Пробу наносят на пластмассовую сеточку тест-полоски, жидкая часть ее диффундирует по

проводящей салфетке в реагентную зону, а клетки остаются на поверхности. Если реакция идет в несколько стадий, то зона имеет несколько слоев. Поднимаясь снизу вверх, жидкость последовательно реагирует с каждым из них, а фотометрируется верхний слой. Прибору даже не надо указывать, что определять. На магнитной ленточке, приклеенной к полоске, записана вся необходимая информация: время инкубации, название анализа, длина волны света, коэффициент пересчета. Прибор прочитает инструкцию и пунктуально выполнит ее.

9

Краткий исторический обзор биохимических исследований в диагностике и лечении заболеваний

Современная биохимия – наука, изучающая процессы обмена веществ как системы сопряженных ферментативных реакций, сформировалась на рубеже XIX и XX столетий.

Впрофилактике и лечении болезней человека важное значение приобретают методы ранней биохимической диагностики. Наиболее доступными биологическими объектами для анализа являются кровь и моча, количественный и качественный анализ которых издавна является важным элементом врачебного диагноза. Визуальное исследование мочи еще в античной медицине считалось важным диагностическим приемом. Эмпирические знания о связи изменений цвета мочи, прозрачности, наличия осадков, мути, даже её вкуса с различными заболеваниями привлекали многих химиков, большинство которых по образованию и характеру деятельности являлись врачами, использовавшими химические методы.

ВXVII в. были получены первые сведения о химических особенностях мочи при некоторых заболеваниях. Так, в 1694 г. Фредерик Деккер (1648-1720), врач из Лейдена, впервые показал, что в моче при

некоторых заболеваниях может быть обнаружен белок. Он предложил химические приемы, обнаруживающие белок: добавление к моче перед нагреванием небольших количеств уксусной кислоты. Однако впервые протеинурию (альбуминурию) как патологический признак детально описал в 1764 г. Доменико Котуньо (1736-1822), фактически обнару-

жив ее как последствие острого нефрита. Первые достоверные данные

охимическом составе мочи получены косвенным путем – при химическом изучении почечных и мочевых камней – излюбленного объекта наравне с желчными камнями аналитических исследований химиков во второй половине XVIII-начале XIX веков. В 1778 г. Карл Вильгельм Шелле (1742-1786) открыл мочевую кислоту, Йенсон Якоб Берцелиус (1779-1848) первый описал химический состав нормальной мочи.

Химические исследования крови отличались от исследований мочи. Кровь была объектом химических экспериментов алхимиков и ятрохимиков, которые подвергали ее сухой перегонке. Зола и «кровяной уголь» использовались как реактивы в ряде алхимических манипуляций, а также в качестве лекарств или их компонентов. В конце XVIII в. были получены первые данные о белках крови и обращено внимание на процесс ее свертывания и возможность его объяснения химическими категориями.

Вработах ученых второй половины XVIII – начала XIX веков впервые появилась сознательная ориентация на практические терапевтические и диагностические результаты. Общий интерес к химическим

10

исследованиям, которые могли найти приложение в медицинской практике, был повсеместен. Во Франции действовало Медицинское Общество, в 1808 г. при лондонском Королевском Обществе выделилась небольшая группа врачей, названная «Общество для развития животной химии», которое было ориентировано на развитие медицинской (или врачебной) химии.

На рубеже XIX и XX столетий в области медицины был накоплен значительный уровень знаний. Именно в этот период сформировалась биологическая химия как наука, были изучены окислительные процессы в организмах, тканевое дыхание, биологические катализаторы (ферменты), процессы брожения, витамины, способы определения аминокислот в молекуле белка и др. Медики Беларуси этого периода были знакомы с достижениями мировой медицинской биохимической науки, применяли их на практике, владели экспериментальными методами.

Доклады врачей на заседаниях Общества врачей Минской губернии и Общества Могилевских врачей свидетельствуют о том, что они имели знания о железах внутренней секреции, использовали анализы мочи, которые проводились либо в домашних лабораториях, либо фармацевтами в аптеках. В 1902 г. в Минске была организована химическая лаборатория для обслуживания больных, где проводились анализы мочи; затем возникли частные лаборатории, где осуществляли также анализы желудочного сока.

Особого внимания заслуживают научные статьи в периодической печати, монографии, диссертации по медицинской химии, написанные медиками Беларуси в XIX – начале XX веков, среди которых выделяются диссертации Р.К. Яновского «О кислотности мочи в связи с мышечной работой», А.И. Смирнова «О влиянии йода в форме щелочных солей на азотистый метаморфоз» (1884), С.С. Парбута «К вопросу о влиянии высокой и низкой температур пищи и питья на усвоение азотистых частей у здоровых людей» (1887), С.Н. Урванцова «Материал к изучению об изменении крови в органах (печень и кишки)» (1898).

В предвоенные годы исследования по медицинской биохимии велись в Белорусском государственном университете, Минском медицинском институте, Витебском ветеринарном институте, Витебском медицинском институте. В этот период особое внимание уделялось вопросам статической и динамической биохимии. Интенсивное развитие функциональной биохимии началось с 50-х годов XX в. Исследования

в этом направлении велись в биологических институтах Академии Наук БССР, НИИ и вузах министерств здравоохранения и сельского хозяйства БССР, в отраслевых научно-исследовательских учреждениях.

Наибольший вклад белорусские ученые внесли в такие разделы, как нейрохимия, гистохимия, клиническая биохимия, витаминология, ра-

11