Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

бышевский-биохимия для врача

.pdf
Скачиваний:
2623
Добавлен:
10.03.2016
Размер:
12.3 Mб
Скачать

А.Ш. Бышевский, О.А.Терсенов

Б -0

Х-И-М-І/І-Я

д

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