Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

ю. 5. ФИnИППОВИЧ

ОСИОВЬI

виохимии

Издание четвертое, переработаШlOе

и дополненное

Рекомендовано Управлением Учебного книгоиздания,

библиотек и медиатек Министерства образования

Российской Федерации

в качестве учебника для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению

И специальности "Химия" и "Биолоmя"

I

(сМАР)	(сФПИНТА)	~
Москва	Москва	Санкт-Петербург

1999

ББК 28.072 (28.072)

ф53

Рецензент: главный научный сотрудник Инстиtyt8 физико-химической биологии им

А. Н. Белозерского MOCKOB~KOГO го~удар~твеJiНОГО )'Нивер~итета ИМ. М. В. Ломоносова

д-р биол. "аук, COpocoBc1Wti проф. II. К. Haгplдa..

Филиппович ю. Б.

Основы биохимии: Учеб. для хим. и биол. спец. пед. ун-тов и ин-тов. - 4-е изл., перераб. и доп. - М.: изд-во "Агар", 1999.-512 с.: ил.

ISBN 5-89218-046-8

Описаны строение и метаболизм белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов,

минеральных веществ, биологически активных соединений, процессы биологического

окисления и регуляции обмена веществ. Издание (l-e-1969 г., 2-е-1985 г., 3-е-1993 г.)

отличается существенным обновлением материала, усилением проблемного характера

изложения всех глав, включением элементов молекулярной биологии и биотехнологии.

	© ю. Б. ФИЛИПIJОВИЧ, 1999
ISBN 5-89218-046-8	© "Агар",1999

ПРЕДИСЛОВИЕ

ИСЮIЮчительвая диваМИJШОСТЬ развития биохимии обусловила необходи­

мость переработки третьего издания учебника, вышедшего в свет н~колько

лет тому назад. Это выразилось не только в приведении учебного материала

в соответствие с современным состоянием биохимических знаний, но и в из­

менении подходов к изложению и соотношению отдельных разделов в нем,

вплоть до введения элементов молекулярной биологии и биотехнолоmи,

наиболее ярко раскрывающих практический потенциал современной биологи­

ческой химии.

При отборе материала для четвертого издания учебника учитывалось, как и ранее, значение определенных разделов биохимии для формирования отчет­

ливых представлений по общей биохимии, а также то, что развитие самой

биохимии в отдельных ее частях идет неравномерно: за последнее время

произошли огромные сдвиги в изучении строения и обмена некоторых групп

органических соединений. Поэтому в книге уделено много внимания строению

белков, нуклеиновых кислот и ферментов, рассмотрены особенности белковых тел как носителей жизни, обращено внимание на принцип комплементарности

в строении нуклеиновых кислот и его значение в матричном биосинтезе природных полимеров, изложены современные представления о биолоmче­ ском окислении, регуляции обмена веществ и взаимосвязи обмена соединений

различных классов. Там, где это уместно, освещены вопросы использования

достижений биохимии в развитии новых направлений в биологических науках

(химическая систематика, молекулярные основы наследственности, изменчи­

вости и эволюции и др.), медицине (наследственные болезни, биохимическая диагностика, стратегия химиотерапии, взаимодействие вирусов и клеток

ит. п.), сельском хозяйстве (биохимическая паспортизация генетического фон­ да, экологическая биохимия, клеточная инженерия и др.) и промышленном

производстве (инженерная энзимология, техническая биохимия, фармацевти­ ческая химия, микробиологический синтез и т. п.).

Перечисленные материалы, в том числе и те из них, которые касаются

философских, социальных и морально-этических аспектов современной биохи­

мии (проблема сущности жизни, перспективы развития генетической инжене­ рии, соотношение физической, химической и биологической форм движения материи и др.), обеспечивают необходимый уровень подготовки будущих учителей для преподавания в средней школе не только курса органической

химии и курса общей биологии, но и для успешного решения всего комплекса

задач по реализации основных направлений реформы общеобразовательной

ипрофессиональной школы, равно как и перестройке высшего педагоmче­ ского образования в нашей стране. Решительная направленность последней на развитие самостоятельной работы студентов обеспечивается широким привле­ чением дополнительной литературы, рекомендуемый перечень которой чита­ тель найдет в конце учебника. Кроме того, одновременно с выходом учебника

3

в свет издательство «Прометей» опубликует методические разработки «Свод­ ные вопросы для подготовки студентов к безмашинному самоконтролю по

курсу биохимии», в которых отражен многолетний опыт преподавания биохи­ мии в МПГУ им. В. и. Ленина. Он складывается из широкого использования

модульного принципа изучения курса, рейтинговой системы оценки знаний и проведения экзамена в форме студенческих докладов, рекомендуемые темы

которых и литература к ним помещены в этом же методическом руководстве.

Учитывая, что при изложении основ такой стремите-I,IЬНО развивающейся науки, как биохимия, неизбежНЫ'как различные толкования тех или иных ее проблем, так и отдельные неточности, автором будут с признательностью

приняты советы, пожелания и замечания по содержанию данной книги.

Автор выражает искреннюю признательность д-ру биол. наук, Соросовс­ кому проф. Н. К. Наградовой за тщательное рецензирование рукописи и цен­

ные советы по ее содержанию и канд. биол. наук о. п. Курановой-за по­

мощь в подготовке библиографии и рисунков.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Биологическая химия-наука о качественном составе, количественном со­

держании и преобразованиях в жизненных процессах соединений, образующих

живую материю.

Как самостоятельная научная дисциплина, биохимия оформилась во второй половине XIX в., когда в ряде университетов были созданы кафедры

биохимии, написаны учебники, начали издаваться научные журналы, и курс биохимии стал обязательной составной частью учебных планов при подготов­ ке биологов и медиков. Причинами для выделения биохимии в отдельную науку были значительные успехи, достигнутые органической химией в изуче­

нии многочисленных природных соединений и физи'ологией в области ис­

следования процессов, протекающих в животных и растительных организмах

(поэтому на заре возникновения биохимию называли физиологической

химией). Кроме того, развитие биохимии теснейшим образом связано

спотребностями практики - медицины, сельского хозяйства и промыш­

ленности.

Особенно бурный процесс развития биохимии характерен для последних

десятилетий. Этому способствовало в первую очередь прогрессирующее

применение В биохимических исследованиях новых физико-химических ме­ тодов. Исключительную роль в расширении возможностей научного поиска в биохимии сыграло внедрение в практику биохимических работ рентге­ ноструктурного анализа, электронной микроскопии, газовой, жидкостной, гелевой и капиллярной хроматографии, метода меченых атомов, инфра­

красной и ультрафиолетовой спектрофотометрии, флуоресцентного и по­

лярографического анализа, электрофореза, метода молекулярных сит, масс­

спектрометрии, разделения веществ в гравитационном поле ультрацентри­

фугированием, методов дисперсии магнитооптического вращения, магнитного

кругового дихроизма, электронн:ого парамагнитного резонанса, ядерного

магнитного резонанса и др.

Введение новых методических приемов каждый раз поднимало биохими­

ческую науку на более высокую ступещ> познания закономерностей жизнеде­

ятельности организмов, открывало новые уровни исследования живого. Свое­ образной чертой последнего периода в развитии биохимии является широкое

применение скоростных методов анализа в соединении с автоматическим

контролем. Это в значительной мере облегчает и ускоряет выполнение намеча­

емых научных программ. В настоящее время полностью автоматизированы: количественное определение ряда соединений-аминокислот в белковых гид­

ролизатах, моно- и дисахаридов в биологических жидкостях (кровь, моча

и др.); выяснение первичной структуры пептидов, белков и нуклеиновых кислот; проведение исследований по кинетике ферментативного катализа

и при серийных определениях энзиматической активности; элементарный ана­

лиз природных соединений; синтез пептидов, олигонуклеотидов и белков;

5

процедуры хроматографического и гельфильтрационного фраКЦИQнирования природных соединений; денситометрирование хроматограмм, электрофоре­

грамм и авторадиограмм с выходом на компьютерные системы; проведение

работ по установлению уровня включения радиоактивныIx предшественников в те или иные соединения метаболического фонда. В нашей стране созданы

жидкосгные и тазовые хроматографы, секвенаторы, масс-спектрометры и рентгеновские дифрактометры высокого класса, используются ЭВМ для управления автоматизированными системами анализа и обработки получа­ емой информации.

Разделы современной биохимни. Современная биологическая химия охваты­ вает большую область человеческого знания. В связи С огромным объемом

факmческого материала и разнообразием Теоретических обобщений биохимия

распадается на ряд отделов, каждый из которых имеет самостоятельное

значение. В зависимости от подхода к изучению живой материи биохимию

делят на статическую, динамическую и функциональную. Статическая биохи­ Мия занимается исследованием химичесlюго состава организмов. При этом ~ понятие химического состава включают как качесгвенный состав (и строе­

ние) соединений, так и количественное их содержание в тех или иных биологи­

.ческих объектах. Динамическая биохимия изучает превращение химических

соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жиз­

не,nеятельнQCТИ органических форм. Функциональная биохимия выясняет связи

между сгроением химических соединений и процессами их видоизменения,

С одной стороны, и функцией субклеточных частиц специализированных кле­ ток, тканей или органов, включающих в свой состав упомянутые вещества,- с другой.

Деление это в значительной мере условно. Практически в ходе биохимиче­ ских исследований все три раздела тесно переплетаются друг с другом: ведь в живом организме состав и строение веществ неотделимы от их преобразова­ ний, равно как и от функций тех структур, органов и тканей, в которых эти

вещества находятся.

.

В зависимости от объекта или направления исследований современная

биохимия распадается на несколько самостоятельных разделов.

Общая биохимия рассматривает закономерности строения. содержания

и преобразования в процессе жизнедеятельности организмов химических со­

единений, общих для живой материи в целом.

Биооргаиическая химия выясняет физико-химические основы функциониро­

вания важнейших систем живой клетки, используя идеи, методы и приемы химии, включая структурный и стереохимический анализ, частичный и полный синтез природных соединений и их аналогов, разработку препараmвных

и технологических методов получения природных веществ и их химической

модификации в непосредственной связи с биологической функцией ·этих

соединений.

Биоиеоргаиическая химия исследует структуру и функциональную актив­

ность комплексов неорганических ионов с органическими молекулами (лиган­

дами), их участие в процессах жизнедеятельности вплоть до изучения возмож­ ности использовать координационные соединения в качестве моделей биоло­

гических систем.

Биохимия животных изучает состав животных организмов и превращения

в них веществ и энергии.

Биохимия растений исследует состав растительных организмов и превраще­ ний в них вещесгв и энергии.

Биохимия микроорганизмов выясняет те же вопросы, что и два предыдущих

раздела биохимии, но объектом исследования ЯВЛJlЮТСЯ микрооргаlIИЗМЫ.

6

~едицинская биохимик иСследует

состав и превращение веществ и энер­

гиИ 11 организме человека в норме и па­

тологии.

Ветеринарная биохимия изучает те

же вопросы у животных.

'Thхническая биохимия выясняет со- ;:,

став вцжнейших пищевых продуктов, ~

изучает превращения, происходящие :t

при их производстве и хранении, а так- ~

же разрабатывает способы применения ~

биохимических процессов в промыш- ~

ленности. ~

Сравнительная биохимия сопостав­

ляет состав и пути видоизменения ве­ ществ у организмов различных систе­

матических групп, в том числе в эволю­

ционном аспекте (эволюционная био­ химия)..

	Радиационная биохимИJI изучает из­
	менение состава и обj\1ена веществ
	в организме при действии на него ио­
	низирующих излучений и разрабатыва-
	ет метоДЫ биохимической защиты от	Рис. 1. Соотношение современной биохимии
	радиации.
	Квантовая биохимия сопоставляет	и сопредельных разделов фундаментальной
		биологии:
	свойства, функции и пути превращения
		3IIштрихованна8 часть параллелепипеда-раэделы. omocs·
	в организме соединений, имеющих био­
		ЩIIеса J[ биохимии
	логическое значение,оС их электронными

характеристиками, полученными при помощи квантово-химических расчетов.

КОсмическая биохимия занимается исследованием биохимических проблем,

связанных с освоением человечеством космического пространства.

Фундаментальное значение биохимии для ряда сопредельных наук насто­

лько возросло, что в настоящее время не так-то просто очертить ее границы.

Оригинальную попытку сделать это предприняла недавно реДl(оллегия журна­

ла «Биохимия» (1989, т. 54, вып. 1), исходя из уровня сложности объекта

исследования, его биологической функции и методологического подхода, что

наглядно представлено на рис. 1. С этой точки зрения современную биохимию

следовало бы определить как науку, раскрывающую закономерности жизнеде­ ятельности на уровне молекул, субклеточных частиц, клеток, организма, био­ логических сообществ и биосферы при посредстве физических, химических

и биологических методов исследования.

Значеиие биохимии в биологии, медицине, сельском хозяйстве и промыш­ ленности. Из приведенного далеко не полного перечня основных разделов

современной биохимии ясно ее огромное теоретическое и практическое зна­ чение~ Биохимия приобретает все большее основополагающее значение

в биологии, так как проникновение в самую глубокую сущность жизненных

явлений, управление жизнедеятельностью организма человека, животных,

растений и микроорганизмов будет достигнуто только тогда, когда биохи­ мическая наука позволит расшифровать в достаточной мере набор, строение

и свойства химических соединений, из которых Слагается все живое, и выяс­

нить закономерности их превращений в процессе существования живой ма­

терии.

7

Вместе с тем уже на данном этапе своего развития биохимия является фундаментом для решения многих вопросов в биологии, медицине, животно­ водстве, растениеводстве, промышленности микробиологического синтеза, пи­

щевой промышленности и т. д.

В недрах биохимии, на стыке биологии, химии, физики, математики и ки­

бернетики, зародилась наука об особенностях строения и свойств молекул,

обеспечивающих существование биологической формы движения материи,­

молекулярная биология. Шаги этой молодой науки столь стремительны, что порой превосходят воображение: заложены основы для понимания механизма биологического катализа и, следовательно, управления процессами жизнеде­ ятельности, выявлены кардинальные закономерности специфического биосин­ теза макромолекул, все больший размах приобретают работы по генетической инженерии. В результате исследования процессов преобразования нуклеино­ вых кислот под влиянием физических факторов и химических агентов найдены

принципиально новые подходы к пониманию явлений измен~ивости и наслед­

ственности в природе.

Успехи в изучении структуры белков и нуклеиновых кислот заложили

прочные основы для развития биохимической систематики, молекулярной

эволюции и биохимической генетики, благодаря чему описательный характер

биологических наук все более изменяется в направлении познания сущности

биологических явлений. Возникли такие новые области биологических

наук, как химическая филогения, экологическая биохимlUl, химическая зоо­ логия, фитохимическая экология. Изучение роста, развития и дифферен­ цировки растительных и животных форм уже невозможно без знания молекулярных основ этих процессов. Даже такие, казалось бы, совершенно

далекие от биохимии области биологии, как популяционный анализ, ав­ торегуляция численности особей и другие, получают объяснение на мо­

лекулярном уровне.

Настала эра химической биологии.

В медицине успехи биохимии определяют стратегию создания и примене­

ния лекарственных веществ, являются источником новых. методов для

диагностики заболеваний и основой для пор'азительных открытий, .каса­

ющихся выяснения причин тех или иных патологических процессов в ор­

ганизме. В частности, оказалось, что м~огие болезни, передающиеся по

наследству, возникают в результате нарушения отдельных звеньев обмена белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, гормонов и т. п. Это

послужило причиной для выделения в отдельную ветвь медицины учения

о молекулярных основах патологии и. в частности, об энзимопатиях, т. е. нарушениях функций ферментов, приводящих к развитию заболевания. Глубокое проникновение в биох~ию вирусов, выяснение строения и условий

саморепродукции многих из них, расшифровка механизма взаимодействия

вирусного и клеточного геномов, а также взаимообусловленности метаболи­

зма вирусных частиц и· субклеточных структур клетки-хозяина позволили

в ряде случаев создать '}ффективные методы борьбы с вирусными заболева­

ниями.

Открытие в течение последнего десятилетия нового класса биологически

активных пептидов- эндорфинов и энкефалинов, в новом свете представило

проблему психотерапии и управления поведенческими реакциями животных

и человека, сделало крайне актуальным вопрос о социальных последствиях развития биохимии.

Наконец, выполнение государственной научно-технической программы по

выяснению полной первичной структуры ДНК генома человека. представлен­

ной 3 миллиардами нуклеотидных остатков, открывает неисчерпаемые и пока

8

трудно предсказуемые перспективы поистине революционных преобразо'Ваний

в устранении наследственных болезней.

Применение многочисленных и разнообразных химических препаратов

в животноводстве и растениеводстве, базирующееся на данных биохимии

и физиологии, способствует подъему продуктивности указанных отраслей сельского. хозяйства и производительности труда. Особенно важно полное удовлетворение потребностей сельского хозяйства в микроэлементах, витами­ нах, белковых добавках (в виде кормовых дрожжей и белково-витаминных

концентратов), синтетических аминокислотах (треонин, триптофан, лизин)

икормовых антибиотиках, а также производство высокоэффективных и эколо­ гически безопасных средств защиты растений, в том числе инсектицидов 3-го

и4-го поколений, созданных в результате изучения регуляторов роста насеко­

мых-гормонов (экдизона и ювенильных гормонов) и антигормонов.

Наряду С отмеченным выше практическим значением для сельского хозяйства биохимия все более становится его теоретической основой.

Это выражается .в разработке методов раннего прогнозирования про­ дуктивности сельскохозяйственных животных ПО биохимическим тестам

(структурное состояние ДНК, характеристика степени полиморфизма белков и ферментов и др.), биохимической паспортизации генетического фонда

с целью отбора пар для скрещивания при выведении новых высокопро­ дуктивных сортов растений и пород животных, использовании данных

омножественных формах ферментов у родителей для получения высо­

когетерозисного потомства и для контроля завершенности селекционного

процесса. В результате проведения фундаментальных биохимических ис­

следований непрерывно обогащаются представления о регуляции роста

и развития растений и животных путем целенаправленного изменения

их генотипов, вырисовываются перспективы создания при посредстве ге­

нетической и клеточной инженерии форм, обладающих уникальными, заранее

предусмотреllliЫМИ качествами. Одним из наиболее ярких примеров фун­

даментальных исследований такого рода являются работы по переносу

в клетки высших растений генов, обеспечивающих фиксацию молекулярного

азота.

Всестороннее изучение биохимии микроорганизмов и открывшиеся при

этом широкие перспективы их практического использования привели

к созданию промыmленности микробиологического синтеза вместо разрознен­

Hыx бродильных производств. Ее продукцию составляют кормовой белок (а в будущем-пищевой белок), аминокислоты, все без исключения антибиоти­

ки (кормовые и медицинские), многие витамины и практически все гормоны

и ферменты. В ближайшие годы расширится ассортимент и возрастет объем

производства сложнейших химических соединений, получаемых путем микробиологического синтеза. Залогом этого служат большой размах и высокие темпы биохимических исследований жизнедеятельности микроор­

ганизмов, равно как и использование методов генетической и клеточной

инженерии для создания ~кроорганизмов-суперпродуцентов перечислен­

НbIX веществ. Именно так получены штаммы-суперпродуценты Bacillus

subti/is, Escherichia coli и Brevibacterium flavum, накапливающие в 1 л

культуральной среды до 10 г триптофана, 20 г треонина и 80 г лизина

соответственно.

Во многих отраслях промьппленности широко используют достижения технической биохимии. Это относится прежде всего к пищевой промыш­

ленности; хлебопечение, виноделие, сыроварение, консервирование продуктов,

производство чая, растительных и животных жиров и масел, переработка

МО~IOка, мяса и т. п. непрерывно совершенствуются в результате введения

9