Биохимия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

В. В. Емельянов, Н. Е. Максимова, Н. Н. Мочульская

БИОХИМИЯ

Рекомендовано методическим советом УрФУ

в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по программе бакалавриата по направлению подготовки

12.03.04 «Биотехнические системы и технологии»

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2016

УДК  577(075.8)
ББК  28.672я73-1
          Е601

В учебном пособии изложены теоретические сведения по основным разделам биохи-

мии: учение о ферментах (энзимология), основы биоэнергетики (биологическое окисление),
обмен углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот, регуляция и интеграция метабо-
лизма, значение биохимических исследований для медицины. В пособие также включены
вопросы для проверки усвоения материала, варианты письменных домашних заданий и тес-
тового контроля.

Пособие предназначено для студентов нехимических специальностей, обучающихся

по профилю «Биомедицинская инженерия».

Емельянов, В. В.

Биохимия : [учеб. пособие] / В. В. Емельянов, Н. Е. Максимова,

Н. Н. Мочульская ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. фе-
дер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. – 132 с.

ISBN 978-5-7996-1893-3

Е601

ISBN 978-5-7996-1893-3

УДК  577(075.8)
ББК  28.672я73-1

© Уральский федеральный университет, 2016

Р е ц е н з е н т ы:

лаборатория морфологии и биохимии

Института иммунологии и физиологии УрО РАН

(заведующий лабораторией доктор биологических наук, доцент И. Г. Данилова);

В. А. Лукаш, кандидат биологических наук,
старший преподаватель кафедры биохимии

Уральского государственного медицинского университета

Министерства здравоохранения Российской Федерации

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ........................................................................................................................................... 6

Раздел 1. ФЕРМЕНТЫ ........................................................................................................................... 7

1.1. Общая характеристика ферментов .................................................................................... 7
1.2. Локализация ферментов в организме ............................................................................... 8
1.3. Строение ферментов ............................................................................................................ 9

1.3.1. Активный центр ферментов ..................................................................................... 10
1.3.2. Аллостерические центры ферментов ................................................................... 11

1.4. Изоферменты ....................................................................................................................... 11
1.5. Специфичность ферментов ............................................................................................... 13
1.6. Механизм действия ферментов ......................................................................................... 14
1.7. Основы кинетики ферментативных реакций ................................................................ 15

1.7.1. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента ........................... 16
1.7.2. Влияние концентрации субстрата на скорость реакции ................................... 16
1.7.3. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры ................ 19
1.7.4. Зависимость скорости ферментативной реакции от рН ................................... 19

1.8. Ингибирование активности ферментов .......................................................................... 20
1.9. Классификация и номенклатура ферментов ................................................................. 21
Вопросы для проверки усвоения материала ........................................................................ 24
Письменное домашнее задание ............................................................................................... 25
Типовой вариант тестового контроля по теме «Ферменты» ............................................ 27

Раздел 2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ................................................................................... 30

2.1. Этапы энергетического обмена ....................................................................................... 30
2.2. Цикл Кребса ........................................................................................................................... 32

2.2.1. Реакции ЦТК ............................................................................................................... 32
2.2.2. Энергетический баланс одного оборота ЦТК .................................................... 34

2.3. Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование ........................................... 35

2.3.1. Хемиосмотическая теория ...................................................................................... 36
2.3.2. Механизм окислительного фосфорилирования ................................................. 37

2.4. Регуляция энергетического обмена ................................................................................. 37
2.5. Другие пути использования кислорода .......................................................................... 39
Вопросы для проверки усвоения материала ........................................................................ 39
Письменное домашнее задание ............................................................................................... 41
Типовой вариант тестового контроля по теме «Биологическое окисление» ................ 43

Раздел 3. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ ......................................................................................................... 46

3.1. Биологическая роль углеводов ......................................................................................... 46
3.2. Переваривание и всасывание углеводов ........................................................................ 46

3.3. Метаболизм глюкозы .......................................................................................................... 47

3.3.1. Гликолиз ...................................................................................................................... 48
3.3.2. Расчет выхода АТФ при анаэробном окислении глюкозы ............................... 54
3.3.3. Расчет выхода АТФ при аэробном окислении ................................................... 56

Вопросы для проверки усвоения материала ........................................................................ 60
Письменное домашнее задание .............................................................................................. 60
Типовой вариант тестового контроля по теме «Обмен углеводов» ............................... 61

Раздел 4. ОБМЕН ЛИПИДОВ ............................................................................................................. 64

4.1. Биологическая роль липидов ............................................................................................ 64
4.2. Переваривание липидов ..................................................................................................... 65
4.3. Депонирование жиров ....................................................................................................... 67
4.4. Окисление жирных кислот ................................................................................................ 67
4.5. Энергетический выход -окисления жирных кислот .................................................. 70
4.6. Биосинтез жирных кислот ................................................................................................. 70
4.7. Биосинтез триглицеридов, фосфолипидов и холестерина .......................................... 72
4.8. Синтез и распад кетоновых тел ......................................................................................... 72
Вопросы для проверки усвоения материала ........................................................................ 75
Письменное домашнее задание ............................................................................................. 75
Типовой вариант тестового контроля по теме «Обмен липидов» .................................. 76

Раздел 5. ОБМЕН БЕЛКОВ И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ  .......................................................... 79

5.1. Биологическая роль белков ............................................................................................... 79
5.2. Превращения белков и аминокислот в организме ....................................................... 79
5.3. Общие пути обмена аминокислот ................................................................................... 81
5.4. Механизм токсического действия аммиака .................................................................. 86
5.5. Обезвреживание аммиака ................................................................................................. 87

5.5.1. Синтез мочевины ...................................................................................................... 87
5.5.2. Синтез аммонийных солей ...................................................................................... 90

5.6. Судьба безазотистого остатка аминокислот .................................................................. 90
5.7. Биосинтез аминокислот ..................................................................................................... 91
5.8. Переваривание и всасывание нуклеиновых кислот .................................................... 93
5.9. Катаболизм пуриновых оснований ................................................................................. 94
5.10. Катаболизм пиримидиновых оснований ...................................................................... 96
5.11. Анаболизм нуклеотидов .................................................................................................. 98

5.11.1. Биосинтез пуриновых мононуклеотидов ......................................................... 99
5.11.2. Биосинтез пиримидиновых мононуклеотидов ............................................... 100
5.11.3. Биосинтез нуклеозидтрифосфатов .................................................................... 101
5.11.4. Биосинтез дезоксирибонуклеотидов ................................................................. 102

5.12. Синтез нуклеиновых кислот ............................................................................................ 103
Вопросы для проверки усвоения материала ........................................................................ 104
Письменное домашнее задание .............................................................................................. 104
Типовой вариант тестового контроля
по теме «Обмен аминокислот, белков и нуклеиновых кислот» ....................................... 105

Раздел 6. РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА. БИОХИМИЯ КРОВИ ............................................ 108

6.1. Регуляция метаболизма .................................................................................................... 108

6.1.1. Гормоны, определение понятия и свойства ...................................................... 108
6.1.2. Классификации гормонов ..................................................................................... 110
6.1.3. Этапы метаболизма гормонов ............................................................................. 111
6.1.4. Рецепторы и механизм действия гормонов ....................................................... 112

6.2. Биохимия крови ................................................................................................................. 114
Вопросы для проверки усвоения материала ..................................................................... 117
Письменное домашнее задание ........................................................................................... 118
Типовой вариант тестового контроля
по теме «Регуляция метаболизма. Биохимия крови» ...................................................... 118

Раздел 7. ИТОГОВОЕ КОНТРОЛЬНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ.
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО КУРСУ БИОХИМИИ ................................................................. 121

Типовой вариант итогового тестового контроля .............................................................. 121

Вопросы к экзамену по биохимии ................................................................................................. 125

Библиографические ссылки ............................................................................................................ 130

Список рекомендуемой литературы ............................................................................................. 131

ПРЕДИСЛОВИЕ

Биохимия – фундаментальная наука, изучающая химический состав и свой-

ства веществ, составляющих живые системы, их взаимопревращения в процессе
метаболизма, а также роль обменных процессов в функционировании различных
органов и тканей в норме и при патологии.

Преподавание курса биохимии будущим инженерам – специалистам в области

разработки и обслуживания сложной медицинской техники – имеет своей целью
формирование у них правильного понимания закономерностей функционирования
живой природы. Однако в настоящее время учебной литературы, ориентирован-
ной на данную категорию студентов, недостаточно. Предлагаемое учебное посо-
бие продолжает цикл учебных материалов по основам биохимии для студентов
физико-технологического института.

Вопросы для проверки усвоения материала ориентируют студентов при самостоятельной 
работе с литературой. Второй формой самостоятельной работы
является выполнение письменного задания, которое включает задачи для проверки 
усвоения материала. По каждой теме практических занятий разработан тестовый 
контроль знаний, который по усмотрению преподавателя может быть
проведен как в режиме «входного» контроля, так и по окончании изучения темы.
К каждой теме приведен типовой вариант тестового контроля.

Раздел 1

ФЕРМЕНТЫ

1.1. Общая характеристика ферментов

Ферменты – это специфические белки, которые действуют как катализаторы

в биологических системах.

Являясь веществами белковой природы, ферменты обладают всеми свойствами 
белков:

– имеют несколько уровней организации макромолекул, подтвержденных данными 
рентгеноструктурного анализа;

– подобно растворимым белкам, образуют коллоидные растворы;
– дают положительные цветные реакции на белки;
– являются амфотерными соединениями;
– склонны к денатурации под влиянием тех же факторов: температуры, изменений 
рН, действия солей тяжелых металлов, физических факторов (ультразвука,
ионизирующего излучения и т. д.):

– ферменты, как и белки, при гидролизе распадаются до аминокислот.
В отличие от других белков, ферменты обладают каталитической активностью.

При этом, обладая свойствами, присущими неорганическим катализаторам, они
существенно отличаются от них рядом свойств (табл. 1).

Действуют в мягких условиях (t = 36–37 °С)

Эффективность действия зависит от рН

Термолабильность

Высокая специфичность

Действие ферментов в организме регулируется


Широкий диапазон каталитического действия

Высокая эффективность действия

Т а б л и ц а   1

Сходства и различия каталитического действия ферментов

и неорганических катализаторов

Сходства
Различия

Ускоряют только термодинамически возможные 
реакции

В случае обратимых реакций ускоряют и прямую 
и обратную реакции

Чувствительны к активаторам и ингибиторам

Действуют в малых количествах

Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку – энзимологию. Термин «
энзим» (от греч. еn zyme – в дрожжах) так же, как и «фермент» (от лат. fer-
mentum – закваска), означает процесс, связанный с выделением газов, брожением.

1.2. Локализация ферментов в организме

Ферменты по локализации и функциональности делят на три группы:
I – общие ферменты (универсальные);
II – органоспецифические;
III – органеллоспецифические.
Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечива-

ют жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка, нуклеиновых
кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Об-
щие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.

Ферменты, свойственные только или преимущественно определенному орга-

ну или ткани, называются органоспецифическими. В печени – это аргиназа, ур-
окиназа, гистидаза, -глутамилтрансфераза, аланинаминотрансфераза, сорбитол-
дегидрогеназа. Органоспецифическим ферментом почек и костной ткани являет-
ся щелочная фосфатаза, предстательной железы – кислая фосфатаза, поджелудоч-
ной – -амилаза и липаза.

Внутри клетки ферменты распределены также неравномерно. Одни фермен-

ты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтирова-
ны в клеточные органеллы (структурированное состояние). Разным органеллам
клетки присущ специфический набор ферментов, которые определяют их функции:

– клеточная мембрана: щелочная фосфатаза, аденилатциклаза, К+-Na+-АТФ-аза;
– цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла;
– микросомы: ферменты, обеспечивающие гидроксилирование;
– рибосомы: ферменты, обеспечивающие синтез белка;
– лизосомы: гидролитические ферменты;
– митохондрии: ферменты цикла трикарбоновых кислот и окислительного

фосфорилирования;

– ядро клетки: ферменты, обеспечивающие синтез РНК и ДНК;
– ядрышко: ДНК-зависимая РНК-полимераза.
В клетке существуют отсеки (компартменты), которые, отличаясь набором фер-

ментов, отличаются и метаболизмом (компартментализация метаболизма).

Определение в плазме или сыворотке крови активности органо- или органел-

лоспецифических ферментов широко используется в клинической диагностике.
Увеличение активности ферментов в плазме (сыворотке) крови связано прежде
всего с цитолизом (т. е. повышением проницаемости биомембран или некрозом
клетки) и выходом ферментов в кровяное русло. При этом активность ферментов
в поврежденном органе уменьшается, а в плазме или сыворотке крови возрастает.

1.3. Строение ферментов

В природе существуют как простые, так и сложные ферменты. Первые цели-

ком представлены полипептидными цепями и при гидролизе распадаются исклю-
чительно на аминокислоты. Большинство природных ферментов относятся к слож-
ным белкам, содержащим, помимо полипептидных цепей, какой-либо небелковый
компонент – кофермент или кофактор. В литературе существуют различные трак-
товки этих терминов. Мы придерживаемся точки зрения, согласно которой ко-
фермент – небелковая часть сложного фермента, являющаяся органическим ве-
ществом, кофактор – неорганическим.

Кофакторами чаще всего служат ионы металлов: железа, меди, цинка и др.

Кофакторы необходимы для проявления каталитической активности многих
ферментов.

Многие коферменты являются производными водорастворимых витаминов

(табл. 2).

РР (никотиновая кислота)

В2 (рибофлавин)

В6 (пиридоксаль)

В1 (тиамин)

В9 (фолиевая кислота)

В12 (цианокобаламин)

Т а б л и ц а   2

Коферменты, производные витаминов

Витамины
Коферменты

НАД+, НАДФ

ФАД, ФМН

Пиридоксальфосфат

Тиаминпирофосфат

Тетрагидрофолиевая кислота

Кобаламины

Можно выделить три группы коферментов:
– принимающие участие в окислительно-восстановительных реакциях: (НАД+/

НАДН2, НАДФ+/НАДФН2, ФАД/ФАДН2, КоQ);

– принимающие участие в переносе атомных групп: пиридоксальфосфат (пе-

ренос аминогрупп), биотин (перенос диоксида углерода), тетрагидрофолиевая кис-
лота (перенос метильных и других одноуглеродных групп);

– принимающие участие в реакциях синтеза, изомеризации и расщепления:

тиаминпирофосфат (декарбоксилирование кетокислот), коэнзим А (для активации
жирных кислот).

Некоторые коферменты (ФМН, ФАД, пиридоксальфосфат) стабильно связаны

с ферментом, и их можно рассматривать как часть активного центра. Другие ко-
ферменты (НАД+, НАДФ+, КоА) в условиях живой клетки связываются с актив-
ным центром только в момент реакции. В этом они сходны с субстратами фермен-
тов. Если в ходе реакции кофермент претерпевает химические изменения, прямо

противоположные происходящим в субстрате, то такие коферменты можно рас-
сматривать как второй субстрат или косубстрат. Более того, иногда именно превра-
щения кофермента имеют физиологическое значение, например, образование
НАДН2 в ЦТК и его окисление в дыхательной цепи.

1.3.1. Активный центр ферментов
Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа. Ак-

тивный центр – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодей-
ствует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе. Активный
центр, как правило, находится не на поверхности молекулы фермента, а в узком
гидрофобном углублении (нише), что благоприятствует созданию высокой концент-
рации субстрата (рис. 1). Активные центры ферментов формируются на уровне
третичной структуры. Любые воздействия, приводящие к денатурации, т. е. нару-
шению третичной структуры, приводят к разрушению структуры активного цент-
ра и, соответственно, к потере ферментом каталитических свойств.

В активном центре условно можно выделить два участка: субстратсвязываю-

щий участок (контактная площадка), который обеспечивает специфическое комп-
лементарное связывание субстрата, и собственно каталитический центр, непосред-
ственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом. В активный
центр фермента часто входит участок для связывания кофактора.

Большинство субстратов соединяется с активным центром в нескольких точ-

ках. Благодаря этому молекула субстрата связывается с активным центром един-
ственно возможным способом, что обеспечивает избирательность дальнейших
химических превращений.

Рис. 1. Активный центр фермента (схема по Малеру и Кордесу):

темные полосы – участки полипептидной цепи фермента; R – аминокислотные остатки и их порядковые

номера (с N-конца) [см.: 1, с. 123]

1.3.2. Аллостерические центры ферментов
У группы регуляторных ферментов помимо активного центра, в молекуле фер-

мента может присутствовать также аллостерический центр или центры (от греч.
allos – другой и steros – пространственный, структурный), которые находятся за пре-
делами активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться моле-
кулы модуляторов (активаторов или ингибиторов), регулирующие активность фер-
ментов. Присоединение модулятора к аллостерическому центру изменяет конфор-
мацию молекулы фермента и, соответственно, конфигурацию активного центра,
вызывая повышение или снижение активности фермента (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение аллостерического фермента,

состоящего из двух протомеров:

S – субстрат; М1 – модификатор, связывающийся в активном центре; М2 – эффектор, связывающийся

в аллостерическом центре [см.: 1, с. 126]

Аллостерические центры известны далеко не у каждого фермента. Обычно

они присущи ферментам, обладающим четвертичной структурой, которые легче под-
даются весомым конформационным перестройкам. У фермента может быть не-
сколько разных аллостерических центров. Благодаря их избирательности, актив-
ность фермента по-разному меняется под действием различных модуляторов.

1.4. Изоферменты

Изоферменты – это множественные формы фермента, катализирующие одни

и те же реакции, но отличающиеся по физическим и химическим свойствам (срод-
ство к субстрату, скорость катализируемой реакции, электрофоретическая подвиж-
ность, различная чувствительность к ингибиторам и активаторам, термостабиль-
ность, оптимум рН).

S

S

Лактат
Пируват

В качестве примера можно рассмотреть лактатдегидрогеназу (ЛДГ) – фер-

мент, катализирующий обратимую реакцию:

Этот фермент существует в виде 5 изоформ, каждая из которых состоит

из 4 протомеров (субъединиц) двух типов (М и Н). Изоферменты ЛДГ различаются 
на уровне четвертичной структуры: ЛДГ1 – 4Н; ЛДГ2 – 3Н1М; ЛДГ3 – 2Н2М;
ЛДГ4 – 1Н3М; ЛДГ5 – 4М. Полипептидные цепи Н- и М-типа имеют одинаковую
молекулярную массу, но в составе первых преобладают дикарбоновые аминокислоты, 
последних – диаминокислоты, поэтому они несут разный заряд и могут быть
разделены методом электрофореза. Обозначение изоформ принято в соответствии
с их подвижностью к аноду (рис. 3).

В процессе индивидуального развития организма происходит изменение содержания 
изоформ в той или иной ткани. У зародыша преобладают ЛДГ4 и ЛДГ5.
После рождения происходит изменение содержания изоформ в некоторых тканях.
В миокарде, надпочечниках, где доминирует аэробный обмен, преобладают ЛДГ1
и ЛДГ2. В тканях, где сохранился анаэробный обмен, преобладают ЛДГ4 и ЛДГ5
(скелетная мускулатура, печень).

Рис. 3. Распределение и относительные количества изоферментов ЛДГ в различных органах.
Экстракты нанесены на линию, отмеченную надписью «Старт». При заданных условиях
опыта (рН) 4 изофермента ЛДГ движутся к аноду, а один (ЛДГ5) – к катоду [см.: 1, с. 128]

ЛДГ1

ЛДГ2

ЛДГ3

ЛДГ4

ЛДГ5

Сердце
Почки
Печень Мышцы

Старт

Существование изоформ повышает адаптационную возможность тканей, ор-

ганов и организма в целом к меняющимся условиям. Определение изоферментно-
го спектра плазмы крови ЛДГ имеет клинико-диагностическое значение для диф-
ференциальной диагностики: при инфаркте миокарда преобладают ЛДГ1 и ЛДГ2,
а при заболеваниях печени – ЛДГ4 и ЛДГ5.

НАД+
НАДН2

ЛДГ

O

NH2

NH2

H2O
CO2             2 NH3

Уреаза

+

Мочевина

+

1.5. Специфичность ферментов

В отличие от неорганических катализаторов ферменты характеризуются спе-

цифичностью действия. Специфичность действия фермента определяется струк-
турой активного центра.

Фермент может обладать чрезвычайно высокой избирательностью по отноше-

нию к субстрату. Например, фермент уреаза распознает только одно вещество –
мочевину, катализируя ее расщепление до СО2 и аммиака:

Если фермент катализирует превращение определенного единственного субстра-

та, такая специфичность называется абсолютной субстратной специфичностью.
Однако встречается она редко.

Обычно субстратная специфичность бывает относительной (групповой). Это

означает, что фермент способен ускорять однотипную реакцию у группы сходных
по строению веществ. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует окисление
не только этанола, но и других алифатических спиртов:

C
H3
CH2
OH
C
H3
C
O

H

Этанол
Ацетальдегид

НАД             НАДН2

+

К числу ферментов с групповой специфичностью относятся пищеваритель-

ные ферменты. Так, пепсин, относящийся к протеазам, расщепляет пептидные
связи в белках как животного, так и растительного происхождения, отличающихся
по аминокислотному составу. Основным местом действия пепсина является пептид-
ная связь –СО–NН–. Липазы, расщепляющие сложноэфирные связи, катализиру-
ют гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, но не действуют на пептидные
связи.

Стереохимическая специфичность обусловлена существованием оптически

изомерных L- и D-форм или геометрических изомеров химических веществ. На-
пример, фермент фумараза катализирует превращение фумаровой кислоты (транс-
изомер), но не действует на малеиновую кислоту (цис-изомер):