Программа экзамена по курсу "Биологическая химия"

Лектор и составитель программы – проф. А. Д. Виноградов

ВВЕДЕНИЕ

Программа содержит перечень основных вопросов, знакомство с которыми позволяет сформировать современные представления о химических превращениях в живых системах. Программа предназначена для студентов III курса (5 и 6 семестры), специализирующихся по кафедрам: "Биохимии", "Биофизики", "Физиологии животных", "Физиологии высшей нервной деятельности", "Цитологии и гистологии", "Генетики и селекции", "Эмбриологии". Предполагается, что изучению "Биохимии" предшествует прохождение студентами курсов "Общая химия", "Физическая химия", "Аналитическая химия", "Органическая химия", "Высокомолекулярные соединения и коллоидная химия", а также ряд курсов общебиологических дисциплин. Обучение студентов биохимии обеспечивается коллективом кафедры "Биохимии" и представлено курсом лекций (два семестра, 60 часов, экзамен в конце 6ого семестра) и практикумом (два семестра, 180 часов, зачеты в конце 5-го и 6-го семестров), сопровождающимся семинарами.

Объем знаний, необходимых для успешной сдачи экзамена, складывается из материала, излагаемого в лекциях, обсуждаемого в ходе выполнения практических работ, и непременной самостоятельной работы студентов с учебниками и руководствами. Некоторые вопросы, безусловно относящиеся к предмету "Биологическая химия" и включенные в программу, не представлены ни в курсе лекций, ни в программе практикума и семинаров (выделено в тексте программы курсивом). Предполагается, что некоторые из этих вопросов с достаточной полнотой излагаются в ряде параллельных курсов (фотосинтез - в курсах "Физиология растений", "Биофизика"; транспорт веществ через биологические мембраны - в курсах "Биофизика", "Физиология животных", "Физиология растений"). Проблемы, связанные с хранением, передачей и воспроизведением генетической информации затрагиваются в программе "Биологическая химия" весьма поверхностно. Детальное их рассмотрение предусматривается в параллельных ("Генетика с основами селекции") и последующих ("Молекулярная биология") курсах. Почасовое распределение материала в курсе лекций, а также конкретное его содержание и последовательность изложения варьируют год от года. Предполагается, что задача лекционного курса состоит в том, чтобы сформировать у студентов современное мировоззрение о механизмах и биологических функциях химических процессов, происходящих в живых системах. Ряд детальных сведений, необходимых для успешной сдачи экзамена, студенты должны получать самостоятельно при работе с учебниками и методическими руководствами.

ПРОГРАММА 1-ой части курса "Биологическая химия" для студентов 3 курса с физиолого-биохимического отделения (экзамен, 5 семестр, зимняя сессия).

1. Предмет и задачи биохимии
   Клетка как самовоспроизводящийся химический реактор. Потоки вещества, энергии и информации в клетке. Единство химической природы живой материи. Химический состав клеток. Способы существования организмов: аутотрофия, гетеротрофия. Представления об обмене веществ, энергии и информации: метаболизм, катаболизм, анаболизм, рецепторные системы, хранение и передача информации. Координация метаболизма в клетках, колониях микроорганизмов, тканях и органах. Специализация метаболизма. Биохимическая эволюция.
2. Химическая природа и свойства компонентов клеток (статическая биохимия)
   1. Вода - универсальная среда для химических превращений в живых системах
      Свойства воды как растворителя. Динамическая структура воды. Влияние растворенных веществ на свойства воды. Электрохимия водных растворов. рН и буферные растворы. Специфика молекулярных взаимодействий в водных растворах.

   2. Структуры и физико-химические свойства низкомолекулярных соединений, входящих в состав биологических объектов
   1. Природные аминокислоты.
      Способы классификации аминокислот. Общие и специфические реакции функциональных групп аминокислот. Ионизация аминокислот. Методы разделения и идентификации аминокислот и пептидов. Необычные аминокислоты, их производные, пептиды.

   2. Природные углеводы и их производные.
      Стереохимия углеводов. Гликозиды, амино-, фосфо-, сульфосахариды. Олигосахариды. Альдо- и кетосахара и их дезоксипроизводные. Реакционноспособность углеводов.
   3. Липофильные соединения.
      Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Изомерия и структура ненасыщенных жирных кислот. Нейтральные жиры. Фосфолипиды, сфинголипиды, гликолипиды Полиморфизм фосфолипидов в водных растворах. Мицеллы и липосомы. Стерины, желчные кислоты. Методы очистки и разделения липофильных соединений.
   4. Пуриновые и пиримидиновые основания. Нуклеозиды и нуклеотиды. Циклические нуклеотиды.
   5. Витамины, коферменты и другие биологически активные вещества.
      Амид никотиновой кислоты. Липоевая кислота. Рибофлавин. Динуклеотиды (NAD, FAD). Нуклеотиды. Биотин. Тиамин. Пантотеновая кислота. Пиридоксин- и пиридоксальфосфаты. Аскорбиновая кислота. Ретиноиды. Токоферол. Нафто- и убихиноны. Биогенные амины. Ацетилхолин. Железо-порфирины и хлорофилл. Минеральный состав клеток и микроэлементы.
   3. Структура и свойства биополимеров.
      1. Белки.
         Первичная структура белка и методы ее определения. Методы разделения и очистки белков. Природа пептидной связи. Упорядоченная (a-спираль, b-слои) и неупорядоченные структуры полипептидных цепей. Уровни структурной организации белков (первичная, вторичная, третичная, четвертичная и надмолекулярные структуры). Природа межмолекулярных взаимодействий, обеспечивающих структуру белков (ионные взаимодействия, водородные связи, гидрофобные взаимодействия, дисульфидные связи). Особенности строения мембрано-связанных белков. Структурные белки (коллаген, кератины). Посттрансляционная модификация белков. Конформационная подвижность белка. Денатурация белка и проблема ее обратимости. Связь между первичной и высшими степенями структурной организации белков. "Консервированные" и гомологичные последовательности аминокислот в белках. Взаимодействие белков и низкомолекулярных лигандов (миоглобин, гемоглобин). Сравнительная биохимия и эволюция белков.
      2. Полисахариды.
         Химическое строение крахмала, гликогена, целлюлозы, хитина. Протеогликаны. Первичная, вторичная и более высокие уровни организации полисахаридов, гликопротеинов, сульфополисахаридов.
      3. Нуклеиновые кислоты.
         Азотистые основания и пентозы, входящие в состав ДНК и РНК. Комплементарные пары нуклеотидов. Правило Чаргаффа. B-структура ДНК (двойная спираль Уотсона-Крика). Другие упорядоченные структуры нуклеиновых кислот. Денатурация и ренатурация ДНК. Суперспирализация ДНК. Гистоны и строение хроматина. Методы установления первичных последовательностей нуклеотидов в нуклеиновых кислотах (секвенирование).
      4. Биологические мембраны.
         Липосомы как модель биологических мембран. Физико-химические свойства двойной фосфолипидной мембраны (проницаемость, подвижность молекул фосфолипидов). Химическая гетерогенность фосфолипидов мембраны. Холестерин. Специфичность фосфолипидного состава биологических мембран. Динамическая модель биологических мембран Сингера-Никольсона. Периферические и интегральные белки мембран. Двумерная диффузия белков в мембранах. Ассиметрия биологических мембран. Топография белков и липидных компонентов мембран. Каналы, поры, переносчики, рецепторы и избирательная проницаемость биологических мембран.
3. Ферментативный катализ
   Общие представления о катализе. Физический смысл константы скорости химической реакции (энергетическая диаграмма реакции, переходное состояние, энергия активации). Классификация каталитических механизмов (общий и специфический кислотно-основной катализ, ковалентный катализ, промежуточные соединения). Белки - биологические катализаторы. Стационарное приближение при рассмотрении ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Бриггса-Холдейна. Графические методы анализа ферментативных реакций. Физический смысл константы Михаэлиса. Максимальные скорости ферментативных реакций. Активность и числа оборотов ферментов. Специфичность ферментативного катализа. Ингибиторы и активаторы ферментов. Обратимость ферментативного катализа. Кофакторы. Регулируемость ферментативного катализа. Изо- и аллостерическое связывание лигандов-регуляторов с белком-ферментом. Кооперативные эффекты в ферментативном катализе. Изоферменты. Международная классификация ферментов. Катализ и проницаемость мембран. Химические механизмы ферментативного катализа (сериновые протеазы, пиридоксалевый катализ, карбоангидраза и др.). Специфическая локализация ферментов в клетке.
4. Основы биоэнергетики.
   Изменение свободной энергии и равновесие обратимых реакций. Сопряженные реакции. Ферменты-лигазы в качестве устройств, обеспечивающих сопряжение. Соединения с высоким потенциалом переноса групп. Концепция фосфорильного потенциала. АТР - универсальный источник энергии в биологических системах. Другие "богатые энергией" соединения (пирофосфат, креатинфосфат, фосфоенолпируват, ацилтиоэфиры, ацилфосфаты). Регулирование фосфорильного потенциала. Креатинкиназная и аденилаткиназная реакции. Нуклеотид моно-, ди- и трифосфат киназные реакции. Энергетическая эффективность сопряженных реакций. Тепловые эффекты биохимических превращений и терморегуляция. Активный транспорт веществ через биологические мембраны. Транспортные АТРазы.

ПРОГРАММА 2-ой части курса "Биологическая химия" для студентов 3 курса с физиолого-биохимического отделения (экзамен, 6 семестр, весенняя сессия)

1. Метаболизм (динамическая биохимия).
   Аутотрофия, гетеротрофия. Фотосинтез. Полисахариды и жиры - запасные вещества клетки. Аэробный и анаэробный обмен веществ. Конечные продукты метаболизма. Биохимия пищеварения. Специфичность пищеварительных протеаз, липаз и гликогидролаз. Энергетическая и пластические функции обмена веществ.
1. Обмен углеводов.
   Фосфоролиз гликогена. Гидролиз крахмала. Гексокиназная и глюкокиназная реакции. Гликолиз и гликогенолиз. Прямое окисление глюкозы. Включение гексоз и пентоз в гликолитический распад. Молочнокислое и спиртовое брожение. Стехиометрические уравнения гликолиза и гликогенолиза. Образование АТР, сопряженное с распадом глюкозо-6-фосфата до молочной кислоты. Гликолитическая оксидоредукция. Характеристика отдельных ферментов гликолиза. Регулирование гликолиза. Регуляторные механизмы фосфоролиза гликогена и фосфофруктокиназной реакции. Обратимость гликолиза и глюконеогенез. Цикл Кори. Синтез гликогена. Стехиометрические уравнения синтеза глюкозы и гликогена из молочной кислоты. Содержание глюкозы, лактата и пирувата в крови как физиологический показатель.
2. Обмен липидов.
   Транспорт липофильных веществ: желудочно-кишечный тракт -> кровь -> клетки. Липазы и фосфолипазы. Включение глицерина в гликолитические реакции. Активация жирных кислот. Роль карнитина в транспорте жирных кислот в митохондрии. Окислительный распад жирных кислот (b-окисление). Конечные продукты распада "четных" и "нечетных" жирных кислот. Образование ацетоацетата. Содержание "кетоновых" тел (ацетоацетат, ацетон, b-оксибутират) как физиологический показатель. Источники ацетил-СоА для синтеза жирных кислот. Система синтеза жирных кислот. СоА и ацилпереносящие белки. Синтез фосфолипидов. Синтез нейтрального жира. Стехиометрические уравнения распада жирных кислот до ацетил-СоА. Стехиометрические уравнения синтеза жирных кислот из ацетил-СоА.
3. Обмен аминокислот и других азотистых соединений.
   Внеклеточный (пищеварительный) протеолиз. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Переаминирование. Декарбоксилирование аминокислот. Окислительное дезаминирование аминокислот. a-Кетокислоты - продукты распада аминокислот. Детоксикация аммиака. Аммониотелия, уреотелия и урикотелия. Синтез мочевины в качестве конечного продукта обмена азотистых соединений. Стехиометрические уравнения образования мочевины. Конечные продукты и схемы распада пуриновых и пиримидиновых оснований. Глутамин как транспортная форма аммиака. Креатин и креатинин и их диагностическое значение. Общие представления о синтезе заменимых аминокислот. Активация аминокислот и синтез аминоацил-t-РНК.
4. Распад ди-, трикарбоновых кислот.
   Окислительное декарбоксилирование пирувата. Ацетил-КоА - универсальный интермедиат распада жиров, углеводов и белков. Пути образования щавелево-уксусной кислоты. Цикл ди-, трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Стехиометрическое уравнение распада пирувата до СО2. Энергетическая и пластическая функции цикла Кребса.
5. Терминальное окисление.
   Коферменты - продукты окислительных реакций (NAD⁺/NAD.H; NADP+/NADP.H; убихинон/убихинол). Оксидазы и механизмы активации кислорода. Электрон-трансферазные реакции и понятие о дыхательных цепях. Структура митохондрий и локализация компонентов дыхательной цепи млекопитающих. Перенос восстановительных эквивалентов через мембрану митохондрий. Трансгидрогеназная реакция. Компоненты дыхательной цепи. Дыхательная цепь - генератор электрической энергии (теория хемиосмотическго сопряжения П. Митчела). Обратимая Н⁺-АТРаза - главное устройство для синтеза АТР в аэробных клетках. Стехиометрические уравнения окисления NAD.H и убихинола кислородом. Эффективность сопряжения окислительного фосфорилирования. Механизмы термогенеза. Дыхательные цепи микросом. Цитохром Р-450 и окислительная деструкция ксенобиотиков.
2. Регулирование и интеграция метаболизма.
   Ключевые пары метаболитов (NAD(P)+/NAD(P).H; ATP/ADP; Ацил-СоА/СоА; лактат/пируват; b-оксибутират/ацетоацетат) и факторы, влияющие на их концентрации. Дивергенция катаболических и анаболических цепей метаболизма. Типы регулирования активности ферментов и переносчиков. Стехиометрическое регулирование (алло- и изостерические ингибиторы и активаторы ферментов). Регулирование ферментов их ковалентной модификацией: фосфорилирование, ацилирование, ADP-рибозилирование. Протеинкиназы и протеинфосфатазы. Каскадный принцип регулирования ферментов. Гормоны в качестве первичных управляющих сигналов метаболизма. Механизмы и результаты действия инсулина, адреналина, глюкагона. Вторичные посредники передачи сигналов: циклические нуклеотиды, ионы Са+2, фосфатидилинозитол. Внутриклеточный протеолиз. Тканевая специфичность метаболизма.

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература.

1. А. Ленинджер. Основы биохимии. В 3-х томах. "Мир", М., 1985.
2. Л. Страйер. Биохимия. В 3-х томах. "Мир", М., 1984.
3. Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл. Биохимия человека. В 2-х томах. "Мир", М., 1993
4. Г. Малер, Ю. Кордес. Основы биологической химии. "Мир", М., 1970.

Дополнительная литература.

1. А. Уайт, Ф. Хендлер, Э. Смит, Р. Хилл, И. Леман. Основы биохимии. В 3-х томах. "Мир", М., 1981.
2. М. Диксон, Э. Уэбб. Ферменты. В 3-х томах. "Мир", М., 1982.
3. Э. Корниш-Боуден. Основы ферментативной кинетики. "Мир", М., 1979.
4. Ч. Кантор, П. Шиммел. Биофизическая химия. В 3-х томах. "Мир", М., 1985.
5. В. Дженкс. Катализ в химии и энзимологии. "Мир", М., 1972.
6. В. П. Скулачев. Биоэнергетика. Мембранные преобразователи энергии. "Высш. шк.", М., 1989.
7. П. Хочачка, Дж. Сомеро. Биохимическая адаптация. "Мир", М., 1988.

23 октября 2008 г.

версия для печати
Страница последний раз обновлялась 02.05.2010