Биологическая химия (стр. 1 )

ПРОГРАММА

Введение

Биологическая химия: определение; краткий исторический очерк; открытие новых методов исследования и разработка лабораторной техники как основа развития биохимической науки (и практической медицины). Современный этап развития биохимии, ее перспективы, роль и место в системе биологических и медицинских наук. Новые направления в биохимии: молекулярная биология клетки, молекулярная генетика, иммунохимия, биотехнология, молекулярные основы конструирования новых лекарственных веществ. Исследование молекулярных механизмов саморегуляции и регуляции биологических систем - одна из центральных проблем современной биохимии. Изучение биохимических закономерностей формирования всех звеньев зубо-челюстного аппарата и поддержания их дееспособности как фундаментальная научная основа комплекса стоматологических дисциплин.

Белки: строение, свойства, функции

Определение. Белковые молекулы - основа жизни. Аминокислоты как структурный элемент белковых молекул. Строение и классификация 20 аминокислот, используемых при биосинтезе белков (кодируемые аминокислоты). Универсальный (общий) и специфический фрагменты каждой из них. Важнейшие физико-химические свойства аминокислот: растворимость в воде и способность к ионизации. Изоэлектрическая точка. Сочетание в молекулах аминокислот противоположных свойств (положительные и отрицательные заряды; гидрофильные и гидрофобные фрагменты) как основа многообразия физико-химических свойств каждого белка и его способности обратимо реагировать даже на слабые вариации условий среды.

Типы связей между аминокислотами в молекуле белка: ковалентные (пептидная, дисульфидная) и нековалентные (слабые типы связей). Краткая характеристика водородной и ионной связей, гидрофобных взаимодействий. Высокая чувствительность слабых связей к физико-химическим параметрам среды (рН, ионная сила, присутствие амфифильных вешеств).

Уровни пространственной организации белка. Первичная структура как последовательность аминокислот, прочно зафиксированная пептидными связями. Остов ("стержень") полипептидной цепи, его идентичность у всех белков. Чередование радикалов аминокислот на стандартном стержне как основа многообразия полипептидов.

Повторения аминокислотных последовательностей. Особенности аминокислотного состава и первичной структуры коллагена и эластина.

Вторичная структура белка, ее главнейшие варианты: α-спираль; коллагеновая спираль; β-складчатая структура; неупорядоченная цепь. Роль водородных связей в поддержании вторичной структуры белка.

Третичная структура белка как индивидуальный характер пространственного взаиморасположения спирализованных, β-складчатьгх и нерегулярных фрагментов полипептидной цепи. Роль слабых типов связей и дисульфидных мостиков в фиксации третичной структуры. Белки глобулярные и фибриллярные. Понятие о доменной организации белковых молекул. Черты структурно-функциональной близости отдельных групп белков: современные представления о семействах и суперсемействах.

Четвертичная структура как объединение двух или более полипептидных цепей (субъединиц); значение слабых типов связей и дисульфидных мостиков в ее фиксации. Структурно-функциональные особенности миоглобина и гемоглобина. Смена типов гемоглобина в онтогенезе человека.

Конформация как вполне определенное, но не неизменное, не застывшее пространственное взаиморасположение отдельных частей белковой молекулы. Равновесие между разными, энергетически наиболее выгодными конформационными состояниями белковой молекулы. Конформационные перестройки (переходы) как основа функционирования белка, его саморегуляции и чувствительности к внешним регуляторным воздействиям. Кооперативность конформационных сдвигов в четвертичной структуре. Нативность белка. Факторы денатурации; ее механизмы. Ренативация белка.

Физико-химические свойства белков. Молекулярная масса и размеры молекул. Факторы стабилизации в коллоидном состоянии. Обратимое и необратимое осаждение белков; их разделение по физико-химическим свойствам. Краткая характеристика альбуминов и глобулинов, протаминов и гистонов. Методы фракционирования и очистки белков: высаливание; ультрацентрифугирование; ультрафильтрация; электрофорез; изоэлектро-фокусирование; разные варианты хроматографии. Диализ и его применение в медицине. Методы количественного определения суммарных и индивидуальных белков.

Мозаичность физико-химических свойств внешнего рельефа белка (гидрофильные и гидрофобные зоны; участки, несущие заряд). Ее значение в реализации генеральных функций белковой молекулы - функции распознания ("узнавания") определенного лиганда и функции реагирования (конформационная перестройка при взаимодействии с ним). Многообразие проявлений такого сочетания функций: избирательность фермента к субстрату, антитела — к антигену, рецептора — к медиатору или гормону; самосборка надмолекулярных структур (мультиферментные комплексы, фибриллы коллагена, вирусы и т. д.). Чувствительность конформации белка к влияниям физико-химических факторов (включая лиганды) как источник его управляемости и способности к саморегуляции.

Сложные белки: определение; классификация по характеру небелкового фрагмента. Ковалентное (простетическая группа) и нековалентное (кофактор) соединение небелковых групп с белком. Краткая характеристика нуклеопротеинов, гликопротеинов, липопротеинов, хромопротеинов, фосфопротеинов, металлопротеинов.

Нуклеопротеины: роль в явлениях наследственности; общая характеристика белковых и полинуклеотидных компонентов. Строение и биологические функции мононуклеотидов. Биосинтез нуклеотидов, его независимость от поступления пиримидиновых и пуриновых оснований с пищей. Пространственная организация молекул РНК и ДНК. Принцип комплементарности, его роль в механизмах репликации ДНК и транскрипции. Механизмы синтеза полипептидных цепей на рибосомах.

Ферменты

Определение. Природа химического катализа. Энергия активации. Катализатор как вещество, направляющее химическую реакцию по обходному пути, с более низкими энергетическими барьерами. Уравнение Арре-ниуса. Неспособность катализаторов влиять на направление и положение равновесия обратимых реакций и на энергетический итог реакции. Особен­ности ферментов как биокатализаторов: высокая эффективность; зависимость от физических и физико-химических условий среды (температура, ионная сила, рН); высокая избирательность (субстратная специфичность и специфичность действия); чувствительность к физико-химическим параметрам различных веществ (ингибиторы, активаторы). Классификация фер­ментов, их номенклатура и индексация.

Строение ферментов. Активный центр, его адсорбционный и каталитический участки. Теория наведенного соответствия активного центра структуре субстрата. Аллостерические центры, их регуляторные функции. Конформационные перестройки белковой молекулы как общий механизм каталитической функции фермента и его восприимчивости к аллостерическим эффекторам. Значение небелковых групп в молекуле фермента. Коферментные функции витаминов, их незаменимость. Нарушения метаболических превращений ("активации") витаминов как причина некоторых гиповитаминозов. Гипервитаминозы.

Основные этапы ферментативного катализа: обратимая сорбция суб­страта на адсорбционном участке; ковалентные преобразования субстрата каталитическим участком; десорбция продукта с освобождением исходной формы фермента.

Кинетика ферментативного катализа. Пропорциональность скорости реакции количеству фермента. Активность, единицы ее измерения. Молекулярная активность фермента. Единицы измерения количества фермента в системе СИ. График зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата (кривая насыщения). Уравнение Михаэлиса-Ментен. Главные кинетические константы, их физический смысл. Максимальная скорость реакции (Утах) как показатель предельной работоспособности каталитического центра фермента. Константа Михаэлиса (Км) как критерий сродства фермента к данному субстрату. Применение методов и критериев энзимологии для количественной оценки функциональных качествиных белков.

Ингибиторы ферментов: неспецифические и специфические; необра­тимые и обратимые; конкурентные и неконкурентные (аллостерические). Методы определения типа угнетения и ингибиторных констант. Применение ингибиторов в медицине и в быту. Обратимое угнетение фермента как механизм действия большинства лекарств.

Активация ферментов. Собственно активация - повышение активности и без того функционирующего фермента. Активация в широком смысле - как превращение неактивного предшественника в активный фермент (специфический протеолиз профермента; взаимопревращения фосфорилированных и дефосфорилированных форм; восстановление сульфгидрильных групп тиоловых ферментов; освобождение активного фермента из комплекса с ингибитором).

Различия ферментного спектра органов и тканей. Тканеспецифичные ферменты. Понятие об изоферментах. Изменения ферментного спектра в онтогенезе и при заболеваниях. Энзимодиагностика. Энзимотерапия. Наследственные энзимопатии. Ферментативные методы анализа биопроб.

Молекулярные механизмы регуляции и саморегуляции

Основные уровни регуляции процессов метаболизма:

- автономная саморегуляция ферментативной активности;

- нейро-гормоналъная регуляция;

- регуляция на генетическом уровне (контроль скорости биосинтеза ферментов и других белков, а также расщепляющих их ферментов - протеиназ).

Автономная саморегуляция как проявление способности белка соче­тать выполнение своей функции (например, катализ) с регулированием ее интенсивности, реализуемым за счет самих участников процесса (например: фермент, его субстрат и/или продукт). Фундаментальные принципы автономной саморегуляции ферментов: кинетические свойства фермента (характеризуемые величинами Км и Утах); аллостерические эффекты субстрата и/или продукта (непосредственного либо отдаленного). Саморегуляция простейшей ферментной системы (один фермент, один субстрат, один продукт). Возможные регуляторные проявления в системе из одного субстрата, двух ферментов и двух разных или одинаковых продуктов. Понятие об альтернативных путях метаболизма одного субстрата. Зависимость соотношения интенсивности этих путей от концентрации субстрата; от кинетических параметров обоих ферментов; от аллостерических влияний субстратов (продуктов) на "свой" или альтернативный фермент. Резервные пути метаболизма как способ защиты клетки от нежелательного накопления общего субстрата или одного из продуктов. Роль изоферментов в обеспечении специфики метаболизма в разных типах клеток. Мультиферментные системы - линейные и разветвленные. Особенности их автономной саморегуляции: стабильность концентраций промежуточных метаболитов при колебаниях скорости процесса в целом; ключевой фермент как лимитирующее звено метаболической цепи, чувствительное к аллостерическим влияниям ее метаболитов; пункты вторичного контроля. Представление о метаболических сетях.