бышевский-биохимия для врача
.pdfА.Ш. Бышевский, О.А.Терсенов
Б-И -0
Х-И-М-І/І-Я
д-л -я
В -Р -А -Ч -А
Екатеринбург
Изд ател ьско -пол играф и ческое предприятие
«Уральский рабочий»
1994
ББК 41.1
Б 95 ;
Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить главу адми нистрации Тюменской области г-на Рокецкого Леонида Ю лиановича, внимание и помощь которого к нуждам высшего образования позволили издать эту книгу, потребность в которой испытывают врачи и студенты медицинских вузов и колледжей.
4101000000- 1 13 Ц 20 (03) - 94
ISBN 5-83383-048-1 |
© А .Ш .Бы ш евский, |
О .А .Т е р се но в, 1994 |
Предисловие
П редлагаемая читателю книга состоит из трех отчасти самостоятельных разделов.
В разделе I освещены строение и свойства характерны х для живого молекулярных структур, а такж е биологическая роль молекул с преимущ ес твенно регуляторными функциями. Особенностью является выбор для рас смотрения тех молекулярных структур, с функционированием которых свя заны нормальные процессы жизнедеятельности организма человека. В соот ветствии с современными представлениями изложены вопросы биоэнергетики и катализа в живых организмах, метаболические процессы, связь меж ду ними
иих регуляция в условиях физиологической нормы.
Вразделе II рассмотрены биохимические особенности важнейш их тканей и органов. Объем и глубина изложения вполне доступны пониманию врача,
владеющего элементами курса биохимии, читаемого в медицинских институ тах или в университетах. Это позволяет врачу знакомиться непосредственно с разделом II без предварительного чтения первой части.
Часть III посвящена биохимии патологических процессов и содержит сведе ния о молекулярных болезнях, о патохимии заболеваний пищеварительного тракта, включая панкреас и печень, патохимии заболеваний почек, нарушениях метаболизма белков, липидов и углеводов, патохимии сердечно-сосудистой системы, соединительной и мышечной тканей, крови, водно-минерального обмена, эндокринной системы, иммуннопатохимии, злокачественного роста и воспалительного процесса. Вопросы патохимии написаны по единой схеме: молекулярный дефект, лежащ ий в основе заболевания, основные клинические проявления, биохимические сдвиги и механизм их возникновения, лаборатор ная диагностика, нормальные значения биохимических показателей, имеющих диагностическое значение при данном заболевании.
При использовании книги в подготовке врача или биолога преподаватель имеет возможность выборочно определять разделы, обязательные для изуче ния, так как в целом в книге отражены все вопросы, включенные в программы по биологической химии для медицинских институтов и факультетов, в том числе и вопросы клинической биохимии.
Все разделы книги иллюстрированы рисунками, которые легко читаются и благодаря детальному описанию частично заменяют текст. Ф ормулы приведе ны в минимально необходимом для врача объеме — только в тех случаях, где без них невозможно воспринимать материал. Табличный материал представ лен ограниченно — 28 таблиц, содержащих преимущественно информацию для дифференциальной биохимической диагностики заболеваний.
Книга предназначена студентам-медикам, студентам биологических ф а культетов университета, врачам всех специальностей, в первую очередь терапевтам и педиатрам, преподавателям каф едр нормальной и патологичес кой физиологии медицинских институтов, а такж е преподавателям соответ ствующих курсов в средних медицинских учебных заведениях.
Все замечания и пожелания авторы примут с благодарностью.
Мы выражаем глубокую признательность коллегам, совместная работа с которыми на протяжении более двадцати лет, многократные обсуждения особенностей преподавания тех или иных разделов биохимии, позволили нам сформировать стратегию изложения информации, в объеме, минимально необходимом практи кующему врачу.
Мы искренне благодарны всем сотрудникам, принявшим участие в подготовке и оформлении материалов.
А.Бышевский, О.Тсрсенов
Раздел I. Биомолекулы. Обмен веществ и энергии
1. Вместо пролога
Жизнь — эта макромолекулярная система, для которой ха рактерны определенная иерархическая организация, а также способность к воспроизведению, обмен веществ и тщательно регулируемый поток энергии, — являет собой разрастающийся центр упорядоченности в менее упорядоченной Вселенной.
К.Гробстайн
Биологическая химия — наука о химических основах жизнедеятельности, т.е. о химической структуре и превращениях молекул, составляющих живое. Понятие «жизнь» эта дисциплина должна формулировать с учетом разнообра зия форм живого и в соответствии со своими задачами. С этой точки зрения из многочисленных «определений» живого наиболее близко то, которое характе ризует жизнь как макромолекулярную систему, осуществляющую регулиру емый обмен веществ и энергии, а также самовоспроизведение. Эти свойства распространяются на все живые объекты, от одноклеточных организмов до человека, т.е. наиболее общие, и, что существенно в данном случае, доступны изучению методами химии.
Изучение морфологии живых организмов с помощью микроскопии позволи ло установить универсальность клеточной организации. В соответствии с этим задачи биохимии можно свести к изучению структур и функции молекул клетки. Однако живые клетки чрезвычайно разнообразны, что намного услож няет задачу. Отказаться от необходимости рассматривать химические основы функционирования всего многообразия клеток позволило понятие «минималь ная клетка» т.е. клетка, содержащая набор структур, обязательных для обмена веществ, энергии и для самовоспроизведения. К таким структурам относятся следующие образования (субклеточные — с позиций морфологии и надмолекулярные — с позиций химии):
мембрана, отграничивающая клетку от окружения и разделяющая ее внут реннее пространство на функционально различающиеся отсеки;
митохондрии — образования, высвобождающие и запасающие энергию химических связей;
ядро, где локализованы молекулы-носители генетической информации;
рибосомы, где генетическая информация реализуется путем синтеза биоло гически активных молекул в согласии с «инструкцией», доставляемой сюда из ядра;
лизосомы, переваривающие сложные питательные вещества и посторонние частицы;
аппарат Гольджи, участвующий в биогенезе мембран и лизосом, в синтезе гликолипидов и фосфолипидов.
Благодаря разработке методов выделения субклеточных структур стало возможным изучение их химического состава. Оказалось, что все многообразие молекул, обнаруживаемых в этих частицах из разных по происхождению клеток, можно свести к небольшому числу классов: 1) макромолекулы (белки, углеводы, липиды); 2) низкомолекулярные биологически активные органичес кие соединения;3) минеральные вещества.
Все это позволяет конкретизировать задачи биохимии, необходимость изучать:
1)строение и функции молекул живого;
2)структуру и функции надмолекулярных образований;
3)механизмы поступления во внутреннюю среду пластических и биологичес ки активных материалов;
4)механизмы высвобождения, накопления и использования энергии;
5)механизмы воспроизведения.
Исходя из наших прагматических позиций, определяемых темой книги, знание основ биохимии необходимо медику для того, чтобы освоить прикладной раздел —клиническую биохимию. Предмет клинической биохимии — изуче ние нарушений химических процессов жизнедеятельности и методов выяв ления этих нарушений для их устранения или исправления.
Живой организм — макромолекулярная система, осуществляющая обмен веществ, энергии и самовоспроизведение. Минимальная струк турная единица этой системы — клетка, в которой имеется шесть обязательных надмолекулярных образований или органелл (мембрана, ядро, митохондрии, рибосомы, аппарат Гольджи, лизосомы), содержа щих в своем составе три класса молекул (макромолекулы, низкомоле кулярные биологически активные вещества, минеральные вещества). Биохимия — наука о химических основах жизнедеятельности — уста навливает структуру молекул и надмолекулярных образований живого, их функции, механизмы обмена веществ и энергии, механизмы воспро изведения. Клиническая биохимия как прикладной раздел биохимии, необходимый врачу, изучает нарушения химических процессов жизне деятельности и методы их выявления с тем, чтобы определить пути исправления или устранения этих нарушений. Изучение отклонений базируется на представлениях о естественном течении процессов.
Прежде чем перейти к детализованному описанию, мы познакомим вас со схематизированным представлением о химическом составе клетки, превраще ниях, в которые вовлекаются в организме природные химические соединения, механизмах высвобождения, запасания и использования энергии, соединениях с регуляторными функциями.
Проникнув в суть схемы, читатель, изучая структуру и превращения отдельных соединений, сможет представить себе место каждого из них в химических процессах, обеспечивающих жизнедеятельность.
Согласно приведенному выше определению живому организму свойственны следующие функции:
1.Извлечение из внешней среды и превращение в приемлемые для организ ма формы химических соединений — материала для возобновления структур.
2.Химическое преобразование оказавшихся во внутренней среде соединений (расщепление и синтез, трансформация) и выведение во внешнюю среду продуктов, которые более не используются (конечные продукты).
3.Высвобождение энергии, заключенной в поступающих извне соединениях,
еезапасание в приемлемой для организма форме и использование в процессах жизнедеятельности.
Реализуются эти функции в общем виде следующим образом.
1. Источниками материалов для возобновления структур и энергообеспече ния служат пищевые продукты, в составе которых организм получает углево ды, липиды, белки, некоторые биологически активные соединения (например, витамины) и минеральные вещества. Белки, углеводы и липиды в усваиваемые формы преобразуются в пищеварительном тракте при участии активных компонентов, которые выделяются соответствующими железами желудка, кишечника, поджелудочной железы и поступают с желчью. Преобразование макромолекул заключается в их деполимеризации, т.е. в разрушении полиме ров до мономеров (белков — до аминокислот, углеводов — до простых сахаров, липидов — до свободных жирных кислот и глицерола). Низкомолекулярные
2. Химические соединения с током крови поступают в органы (ткани), где включаются в процессы синтеза (образование специфических для тканей организма человека белков, углеводов, липидов и регуляторных соединений), процессы окислительно-восстановительного распада, в ходе которого высво бождается энергия химических связей. Промежуточные продукты используют ся в синтезе биологически активных веществ или выполняют регуляторные функции.
3. Высвобождение энергии в ходе окислительно-восстановительного распада сопряжено с ее запасанием в форме универсальных носителей. Они используются как источники энергии для выполнения всех видов работы, свойственных живому.
Все перечисленные процессы протекают в организме повсеместно, однако можно отметить и локализацию их в отдельных органах и тканях Графическое изображение процессов — объекта биологической химии — представлено нарис.1.
В задачу последующих разделов книги входит описание структуры биомо лекул, детализация превращений, которым они подвергаются в процессе переваривания, описание механизмов всасывания и транспортировки мономе ров кровью и лимфой, расшифровка последовательности реакций, обеспечива ющих синтез специфических соединений, окислительный распад белков, липидов и углеводов. Таким образом, схема получает конкретное содержание в объеме, достаточном для понимания проблем клинической биохимии.
Обращаем внимание на то, что в схеме не показана энергетическая сторона обмена — высвобождение, запасание и использование энергии. Поэтому ука жем: на второй и третьей стадиях окислительно-восстановительного распада (образование ацетил-КоА и затем углекислоты) высвобождается (в реакциях окисления) энергия химических связей. Она затрачивается в последующем на
(Расходование на выполнение работ)
Рис. 2. Запасание и использование энергии в животном организме: энергия, высвобождающаяся при окислении мономеров (аминокислот, моносахаров, жир ных кислот и глицерола), используется на синтез АТФ из А Д Ф и Н}Р 0 4, а запасенная в АТФ энергия затрачивается на выполнение всех видов работы, свойственных животному организму (механической, химической, осмотической и электричес кой).
синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной кис лоты (АДФ) и неорганического фосфата. АТФ используется как источник энергии, запасенной в ее пирофосфорной связи, для всех видов работ, произ водимых организмом (рис. 2). Высвобождение энергии происходит в реакции:
+НОН
АТ Ф ------------------------- ►АДФ + Н3Р 0 4 + Энергия
Далее мы рассмотрим механизмы этого достаточно сложного процесса, который, локализуясь в митохондриях, обеспечивает энергией все виды работ, выполняемых организмом.
Мы познакомимся также с особенностями обмена веществ в жизненно важных органах, работа которых определяет функционирование систем ж из необеспечения. Все это позволит в конечном счете обсудить чисто медицинские аспекты биохимии — нарушения химических основ жизнедеятельности, свой ственные патологическим состояниям, заболеваниям отдельных органов и систем, диагностику этих нарушений.
2. Биомолекулы, структура и свойства
Биомолекулы — обязательные компоненты живых организмов, создающие их характерные свойства — способность к обмену веществ и энергии, самовос произведению. Они выступают в качестве субстратов этих процессов или факторов, обеспечивающих их осуществление и (или) регуляцию.
Н утриенты |
Регуляторы |
Белки |
Витамины |
Липиды |
Гормоны |
Углеводы |
|
Витамины |
|
Первые четыре типа биомолекул объединены понятием «нутриенты» — пищевые вещества, к их числу относятся также и минеральные соединения, которые мы рассмотрим ниже. Гормоны, выполняющие в организме регуляторную роль, в отличие от нутриентов образуются в специализированных органах — эндокринных железах. Витамины — по происхождению нутриенты, по функции
—регуляторные соединения.
2.1.Белки (протеины)
2.1.1.Структура
Молекула белка — неразветвляющийся (линейный) полимер, минимальная структурная единица которого (мономер) представлена аминокислотой. Ами
нокислоты в молекуле белка соединены карбамидной (пептидной) связью, возникающей следующим образом:
H.N - СН - СООН + |
H„N-CH-COOH ----------------►H,N-CH-CO-NH-CH-COOH |
||||
I |
‘ I |
^ |
I |
Г |
I |
R , |
R 2 |
H 2O |
R , |
|
R 2 |
|
|
|
Пептидная |
связь |
Образовавшийся продукт — дипептид. Свободная карбоксильная группа дипептида позволяет присоединить остаток третьей аминокислоты с образо ванием трипептида. Таким ж е путем могут быть образованы тетра-, пентапеп тид и т.д. — полипептиды. Полипептиды с молекулярной массой более 5 ООО Да называют белками.
Белок может включать несколько полипептидных цепей, соединение кото рых между собой происходит за счет непептидных связей. В этом случае молекула имеет характер сополимера. Следовательно, белковая молекула — линейный полимер или сополимер, образованный из аминокислот, соединен ных пептидной связью.
Описано около 200 различных природных аминокислот, из них 20 обнару жено в белках — это протеиногенные аминокислот ы . Классифицировать их можно по разным признакам. С медицинских позиций предпочтительнее упомянуть классификации, основанные на биологической роли аминокислот.
1. |
По строению соединений, получающихся при расщеплении углеродной |
|
цепи аминокислоты в организме, различают: |
||
а) |
глю копластичны е |
(глюкогенные) — при недостаточном поступлении |
углеводов или нарушении |
их превращения они через щавелевоуксусную и |
фосфоэнолпировиноградную кислоты превращаются в глюкозу (глюкогенез) или гликоген. К этой группе относятся глицин, аланин, серин, т реонин, валин, аспарагиновая и глут аминовая кислота, аргинин, гист идин и м ет ионин;
б) кетопластичные (кетогенные) — ускоряют образование кетоновых тел —
лейцин, изолейцин, т ирозин и фенилаланин (три последние могут быть и
глюкогенными).
2. В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме или обязательно должны поступать в составе пищи, различают:
а) заменимые; б) незаменимые.
К незаменимым относятся гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин. В детском возрасте незаменимы также аргинин и гистидин (взрослый организм не требует их поступления с пищей).
По структуре различают семь классов аминокислот:
I. Алифатические аминокислоты
1. |
Глицин (Гли) |
|
H2N - СН2 - СООН |
||
|
|
|
|
с и , |
|
2. |
Аланин (Ала) |
|
H„N |
СН - СООН |
|
|
|
н 3с |
|
|
|
3. |
Валин (Вал) |
\ |
СН - СН - СООН |
||
|
|||||
|
|
/ |
' |
I |
|
|
|
н 3с |
|
NH„ |
|
|
|
н 3с |
|
|
|
4. |
Лейцин (Лей) |
\ |
с н |
- сн„ |
СН - СООН |
|
|||||
|
|
/ |
|
|
I |
|
|
н ,с |
|
|
NH„ |
|
Н,С - |
Н С |
|
|
|
5. |
Изолейцин (Илей) |
\ |
СН - СН - СООН |
||
|
|||||
|
|
/ |
|
I |
|
|
|
н 3с |
|
NH, |
|
|
II. Оксиаминокислоты |
|
|
|
|
6. |
Серин (Сер) |
|
НОН2С - СН - СООН |
||
|
|
|
|
NH„ |
|
7. |
Треонин (Тре) |
Н3С - СНОН - с н 2 |
СООН |
||
|
|
|
|
NH„ |
|
|
III. Дикарбоновые аминокислоты и их амиды |
|
|||
8. |
Аспарагиновая кислота (Асп) |
|
НООС - СН2 - СН - СООН |
||
|
|
|
|
|
NH„ |
9. |
Аспарагин (Аспн) |
|
H2NOC - с н 2 |
СН - СООН |
|
|
|
|
|
|
I |
NH