Курс общей биологической и медицинской химии Лекторы Николай Борисович Гусев Юрий Петрович Рубцов ___________________________ Годовой курс (два семестра) (лекции, семинары, коллоквиумы) Фома отчетности: экзамены после каждого семестра

План лекции История возникновения биохимии Проблемы биохимии Некоторые вопросы медицинской биохимии Белки. Структура и функции Строение и свойства аминокислот

История возникновения биохимии Клеточная теория (М.Я.Шлейден ( ), Т. Шванн ( )) Основы химического катализа Й.Я. Берцелиус ( ) Синтез первого органического соединения (мочевины) Ф. Веллер ( ) Разнообразие видов К. Линней ( ), законы генетики Г.И.Мендель ( ), теория происхождения видов Ч. Дарвин ( ) Учение о гомеостазе (К.Бернар ( )) Работы Л.Пастера ( ) (исследования процессов брожения и гниения, первые работы по иммунологии и созданию вакцин, исследования в области виноделия, хлебопечения, медицинской микробиологии, иммунологии, стереохимии) Исследование процессов брожения (Э. Бухнер ( ), Нобелевская премия по химии 1907, А. Гарден ( ), Нобелевская премия по химии 1929) Структурные исследования аминокислот, белков и углеводов, синтез искусственных пептидов, создание первой школы биохимиков (Э.Фишер ( ), Нобелевская премия по химии 1902) К. Нейберг ( ), проводивший исследования в области обмена углеводов, ввел термин - биохимия (1903)

Карл Линней ( ) и Чарльз Дарвин ( )

История возникновения биохимии Клеточная теория (М.Я.Шлейден ( ), Т. Шванн ( )) Основы химического катализа Й.Я. Берцелиус ( ) Синтез первого органического соединения (мочевины) Ф. Веллер ( ) Разнообразие видов К. Линней ( ), законы генетики Г.И.Мендель ( ), теория происхождения видов Ч. Дарвин ( ) Учение о гомеостазе (К.Бернар ( )) Работы Л.Пастера ( ) (исследования процессов брожения и гниения, первые работы по иммунологии и созданию вакцин, исследования в области виноделия, хлебопечения, медицинской микробиологии, иммунологии, стереохимии) Исследование процессов брожения (Э. Бухнер ( ), Нобелевская премия по химии 1907, А. Гарден ( ), Нобелевская премия по химии 1929) Структурные исследования аминокислот, белков и углеводов, синтез искусственных пептидов, создание первой школы биохимиков (Э.Фишер ( ), Нобелевская премия по химии 1902) К. Нейберг ( ), проводивший исследования в области обмена углеводов, ввел термин - биохимия (1903)

Луи Пастер

История возникновения биохимии Клеточная теория (М.Я.Шлейден ( ), Т. Шванн ( )) Основы химического катализа Й.Я. Берцелиус ( ) Синтез первого органического соединения (мочевины) Ф. Веллер ( ) Разнообразие видов К. Линней ( ), законы генетики Г.И.Мендель ( ), теория происхождения видов Ч. Дарвин ( ) Учение о гомеостазе (К.Бернар ( )) Работы Л.Пастера ( ) (исследования процессов брожения и гниения, первые работы по иммунологии и созданию вакцин, исследования в области виноделия, хлебопечения, медицинской микробиологии, иммунологии, стереохимии) Исследование процессов брожения (Э. Бухнер ( ), Нобелевская премия по химии 1907, А. Гарден ( ), Нобелевская премия по химии 1929) Структурные исследования аминокислот, белков и углеводов, синтез искусственных пептидов, создание первой школы биохимиков (Э.Фишер ( ), Нобелевская премия по химии 1902) К. Нейберг ( ), проводивший исследования в области обмена углеводов, ввел термин - биохимия (1903)

Нобелевские лауреаты Э. Бухнер (открытие внеклеточной ферментации), Дж. Саммнер (кристаллизация ферментов) и Д. Холдейн (основы биохимической термодинамики)

История возникновения биохимии Клеточная теория (М.Я.Шлейден ( ), Т. Шванн ( )) Основы химического катализа Й.Я. Берцелиус ( ) Синтез первого органического соединения (мочевины) Ф. Веллер ( ) Разнообразие видов К. Линней ( ), законы генетики Г.И.Мендель ( ), теория происхождения видов Ч. Дарвин ( ) Учение о гомеостазе (К.Бернар ( )) Работы Л.Пастера ( ) (исследования процессов брожения и гниения, первые работы по иммунологии и созданию вакцин, исследования в области виноделия, хлебопечения, медицинской микробиологии, иммунологии, стереохимии) Исследование процессов брожения (Э. Бухнер ( ), Нобелевская премия по химии 1907, А. Гарден ( ), Нобелевская премия по химии 1929) Структурные исследования аминокислот, белков и углеводов, синтез искусственных пептидов, создание первой школы биохимиков (Э.Фишер ( ), Нобелевская премия по химии 1902) К. Нейберг ( ), проводивший исследования в области обмена углеводов, ввел термин - биохимия (1903)

Основные проблемы биохимии 1. Из каких веществ состоит живой организм? (Проблемы правильного питания, витаминология). 2. Превращения веществ в организме. Метаболизм, нарушения обмена веществ. 3. Механизмы энергетического обеспечения клеток (гликолиз, окислительное фосфорилирование, фотосинтез) 4. Механизмы передачи генетической информации (медицинская генетика) 5. Механизмы межклеточного общения. Проблемы молекулярной эндокринологии. 6. Проблемы иммунологии (защита от бактерий и вирусов, проблемы трансплантологии) 7. Проблемы программируемой гибели клеток и связанные с этим проблемы онкологии 8. Механизмы биологической подвижности 9. Механизмы коррекции тех или иных нарушений метаболизма (проблемы фармакологии и синтеза новых лекарственных веществ и соединений)

Прикладные проблемы медицинской биохимии Проблемы правильного питания (атеросклероз, тучность), витаминология (скорбут, злокачественные анемии) биологически активные соединения, биологические добавки Молекулярная эндокринология (например, наследственная гиперхолестеринимия, диабет) Генная диагностика и генная терапия. Диагностика и разработка методов лечения врожденных заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия, альбинизм, различные виды кардиомиопатий) Проблемы иммунологии (например, аутоиммунные заболевания, проблемы трансплантации органов и тканей) Регуляция клеточного цикла. Проблемы онкологии и регенерации органов и тканей. Некроз и апоптоз. Болезни опорно-двигательного аппарата. Дистрофии Беккера и Дюшена, различные заболевания соединительной и костной ткани. Проблемы фармакологии. Поиск и создание новых лекарственных препаратов.

Ирокезы, показывающие Жаку Картье приготовление чая из хвои кедра как средства против скорбута (цинги)

Прикладные проблемы медицинской биохимии Проблемы правильного питания (атеросклероз, тучность), витаминология (скорбут, злокачественные анемии) биологически активные соединения, биологические добавки Молекулярная эндокринология (например, наследственная гиперхолестеринимия, диабет) Генная диагностика и генная терапия. Диагностика и разработка методов лечения врожденных заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия, альбинизм, различные виды кардиомиопатий) Проблемы иммунологии (например, аутоиммунные заболевания, проблемы трансплантации органов и тканей) Регуляция клеточного цикла. Проблемы онкологии и регенерации органов и тканей. Некроз и апоптоз. Болезни опорно-двигательного аппарата. Дистрофии Беккера и Дюшена, различные заболевания соединительной и костной ткани. Проблемы фармакологии. Поиск и создание новых лекарственных препаратов.

Эритроциты здорового (слева) и больного серповидноклеточной анемией (справа)

Прикладные проблемы медицинской биохимии Проблемы правильного питания (атеросклероз, тучность), витаминология (скорбут, злокачественные анемии) биологически активные соединения, биологические добавки Молекулярная эндокринология (например, наследственная гиперхолестеринимия, диабет) Генная диагностика и генная терапия. Диагностика и разработка методов лечения врожденных заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия, альбинизм, различные виды кардиомиопатий) Проблемы иммунологии (например, аутоиммунные заболевания, проблемы трансплантации органов и тканей) Регуляция клеточного цикла. Проблемы онкологии и регенерации органов и тканей. Некроз и апоптоз. Болезни опорно-двигательного аппарата. Дистрофии Беккера и Дюшена, различные заболевания соединительной и костной ткани. Проблемы фармакологии. Поиск и создание новых лекарственных препаратов.

Использование метода SELDI (surface-enhanced laser desorption ionization) для диагностики различных заболеваний человека Tomizaki et al FEBS J, 277, 1996, 2010

Использование методов протеомики для диагностики различных заболеваний человека Shiffer et al. Gerontology 55, 123, 2009

Распределение белков сыворотки после электрофореза на бумаге Показано положение альбумина и различных фракций глобулинов

Белковый состав различных фракций сыворотки крови

Изменение белкового состава различных фракций крови при различных патологиях

Диагностика инфаркта миокарда с использованием различных маркерных белков Показано изменение уровня лактатдегидрогеназы (LDH) и двух изоформ креатинфосфокиназы (CPK2 и CPK3) в сыворотке крови пациентов, перенесших инфаркт миокарда

Изменение изоферментного состава креатинфосфокиназы в зависимости от времени, прошедшего с момента возникновения инфаркта миокарда

Прикладные проблемы медицинской биохимии Проблемы правильного питания (атеросклероз, тучность), витаминология (скорбут, злокачественные анемии) биологически активные соединения, биологические добавки Молекулярная эндокринология (например, наследственная гиперхолестеринимия, диабет) Генная диагностика и генная терапия. Диагностика и разработка методов лечения врожденных заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия, альбинизм, различные виды кардиомиопатий) Проблемы иммунологии (например, аутоиммунные заболевания, проблемы трансплантации органов и тканей) Регуляция клеточного цикла. Проблемы онкологии и регенерации органов и тканей. Некроз и апоптоз. Болезни опорно-двигательного аппарата. Дистрофии Беккера и Дюшена, различные заболевания соединительной и костной ткани. Проблемы фармакологии. Поиск и создание новых лекарственных препаратов.

Принцип использования иммунологических методов для диагностики вируса иммунодефицита человека

Рекомендуемая литература Л. Страйер Биохимия, 3 т., М. Мир, 1984 А. Ленинджер Основы биохимии, 3 т., М. Мир, 1985 Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В.Родуэлл Биохимия человека, 2 т., М. Мир 1981 и позже А. Уайт и соавт. Основы биохимии 3 т., М. Мир, 1981 Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин Биологическая химия М. Медицина Б.Альбертс и соавт. Молекулярная биология клетки 3 т., М. Мир, 1994 В.Элиотт, Д.Элиотт Биохимия и молекулярная биология, НИИ Биомедицинской химии М., 1999 Я.Кольман, К.-Г.Рем Наглядная биохимия М., Мир, 2000 Биохимия под ред. Е.С.Северина ГЭОТАР-МЕД М., 2003 T.M.Devlin Textbook of biochemistry with clinical correlations Wiley Liss 1997, 1999 G. Meisenberg, W.H.Simmons Principles of Biochemistry, Mosby, 1998 G.L.Zubay, W.W.Parson, D.E.Vance Principles of Biochemistry, W.C.Brown Publishers, 1995 J. M.Berg, J.L.Tymoczko, L.Stryer Biochemistry, (sixth edition) W.H.Freeman and Co, 2006 D.L.Nelson, M.M.Cox Lehninger principles of Biochemistry (fourth edition) W.H.Freeman and Co, 2005

Физико-химические основы биохимии

Схема строения молекулы воды и образование водородных связей

Структура кристалла вода

Водородные связи, образуемые в растворах некоторых биологических соединений

Растворение кристалла поваренной соли в воде

Схема поведения гидрофобных соединений в водных растворах

Четыре типа нековалентных (слабых) взаимодействий биологических молекул

Разнообразие ковалентных связей, которые может образовывать атом углерода

Геометрия связей атома углерода

Различные конформации этана отличаются по своей энергии

Пример цис- транс-изомерии

Оптические активные (хиральные) и оптические неактивные (ахиральные) молекулы)

Энергетическое сопряжение механических и химических процессов

Центральная роль АТР в процессах метаболизма

Обозначения и формулы некоторых часто встречающихся групп

Аминокислоты и белки, структура и свойства

Функции белков (протеинов) Биологические катализаторы (ферменты) Рецепторы и гормоны Антитела Компоненты цитоскелета и сократительного аппарата клеток Перенос электронов и формирование белковых комплексов, обеспечивающих генерацию и запасание энергии Синтез нуклеиновых кислот, передача генетической информации

L- и D-конфигурации аминокислот

Стереомодели L и D-аминокислот

Кислотно-основные свойства обобщенной аминокислоты с незаряженной боковой цепью

Кислотно-основные свойства глутаминовой кислоты

Структура простейших аминокислот глицина и аланина

Алифатические (гидрофобные) аминокислоты

Гидрофобные свойства аминокислот Показана свободная энергия переноса различных аминокислот из гидрофобной среды в воду

Схема строения цистеина

Участие цистеина в образовании дисульфидных мостиков

Оксиаминокислоты - серин и треонин

Единственная иминокислота - пролин

Ароматические аминокислот – фенилаланин, тирозин и триптофан

Спектры поглощения двух ароматических аминокислот

Спектры поглощения ароматических аминокислот

Флуоресценция ароматических аминокислот

Строение щелочных аминокислот («гексоновых оснований»)

Строение имидазола и гуанидина

Протонирование кольца гистидина

Моноаминодикарбоновые аминокислоты и их амиды

Генетический код и кодирование необычных аминокислот

Селеноцистеин, двадцать первая аминокислота, кодируемая стоп-кодонами в необычном окружении и используемая некоторыми ферментами

Необычная аминокислота пирролизин, кодируемая стоп-кодонами некоторых бактерий N 6 -[(2R,3R)-3-methyl- 3,4-dihydro-2H- pyrrol-2-ylcarbonyl]- L-lysine

Структура необычной аминокислоты – -карбоксиглутаминовой кислоты Эта аминокислота возникает вследствие посттрансляционной модификации (витамин К- зависимого карбоксилирования глутаминовой кислоты) и участвует в связывании ионов кальция внеклеточными белками

Сокращенные обозначения аминокислот

Общая классификация аминокислот

Гидрофобные свойства аминокислот Показана свободная энергия переноса различных аминокислот из гидрофобной среды в воду

Рекомендуемая литература Л. Страйер Биохимия, 3 т., М. Мир, 1984 А. Ленинджер Основы биохимии, 3 т., М. Мир, 1985 Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В.Родуэлл Биохимия человека, 2 т., М. Мир 1981 и позже А. Уайт и соавт.Основы биохимии 3 т., М. Мир, 1981 Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин Биологическая химия М. Медицина Б.Альбертс и соавт. Молекулярная биология клетки 3 т., М. Мир, 1994 В.Элиотт, Д.Элиотт Биохимия и молекулярная биология, НИИ Биомедицинской химии М., 1999 Я.Кольман, К.-Г.Рем Наглядная биохимия М., Мир, 2000 Биохимия под ред. Е.С.Северина ГЭОТАР-МЕД М., 2003 T.M.Devlin Textbook of biochemistry with clinical correlations Wiley Liss 1997, 1999 G. Meisenberg, W.H.Simmons Principles of Biochemistry, Mosby, 1998 G.L.Zubay, W.W.Parson, D.E.Vance Principles of Biochemistry, W.C.Brown Publishers, 1995 J. M.Berg, J.L.Tymoczko, L.Stryer Biochemistry, (fifth edition) W.H.Freeman and Co, 2002 D.L.Nelson, M.M.Cox Lehninger principles of Biochemistry (fourth edition) W.H.Freeman and Co, 2005

Основные проблемы биохимии 1. Из каких веществ состоит живой организм? (Проблемы правильного питания, витаминология). 2. Превращения веществ в организме. Метаболизм, нарушения обмена веществ. 3. Механизмы энергетического обеспечения клеток (гликолиз, окислительное фосфорилирование, фотосинтез) 4. Механизмы передачи генетической информации (медицинская генетика) 5. Механизмы межклеточного общения. Проблемы молекулярной эндокринологии. 7. Проблемы иммунологии (защита от бактерий и вирусов, проблемы трансплантологии) 8. Проблемы программируемой гибели клеток и связанные с этим проблемы онкологии 9. Механизмы биологической подвижности 10. Механизмы коррекции тех или иных нарушений метаболизма (проблемы фармакологии и синтеза новых лекарственных веществ и соединений)

Иерархия структурной организации живой клетки

Принцип дифференциального центрифугирования, применяемый для фракционирования клеточных органелл

Изопикническое центрифугирование (центрифугирование в градиенте плотности), применяемое для разделения мембранных фракций

Основные проблемы биохимии 1. Из каких веществ состоит живой организм? (Проблемы правильного питания, витаминология). 2. Превращения веществ в организме. Метаболизм, нарушения обмена веществ. 3. Механизмы энергетического обеспечения клеток (гликолиз, окислительное фосфорилирование, фотосинтез) 4. Механизмы передачи генетической информации (медицинская генетика) 5. Механизмы межклеточного общения. Проблемы молекулярной эндокринологии. 7. Проблемы иммунологии (защита от бактерий и вирусов, проблемы трансплантологии) 8. Проблемы программируемой гибели клеток и связанные с этим проблемы онкологии 9. Механизмы биологической подвижности 10. Механизмы коррекции тех или иных нарушений метаболизма (проблемы фармакологии и синтеза новых лекарственных веществ и соединений)