Биохимия и молекулярная биология

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО КУРСУ

Введение. Предмет биологической химии, основные исторические этапы развития биохимии. Задачи и положения биохимии в системе естественных наук. Роль биохимии в развитии экологии.

Белки, структура и свойства. Роль белков в построении живой материи и в процессах жизнедеятельности.

Структурная, сократительная, защитная, транспортная, каталитическая, регуляторная, рецепторная, энергетическая функции белков. Роль белков в иммунных реакциях организма.

Элементарный состав белков. Аминокислоты – структурные единицы белков. Протеиногенные и непротеиногенные аминокислоты. Классификация аминокислот по свойствам их радикалов: неполярные (гидрофобные) аминокислоты, полярные (гидрофильные) аминокислоты, гидрофильные отрицательно заряженные и положительно заряженные. Заменимые, незаменимые, полузаменимые аминокислоты. Физико-химические свойства аминокислот. Кислотно-основные свойства аминокислот. Амфотерность. Изоэлектрическая точка. Буферные свойства. Реакции на аминогруппу и карбоксильную группу. Реакции на отдельные аминокислоты.

Пептиды. Особенности строения и функции некоторых важнейших природных пептидов (окситоцин, вазопрессин, адренокортикотропный гормон, инсулин, гастрин, глюкагон, глютатион и др.).

Белки – линейные полимеры аминокислот. Способ связи аминокислот в белках. Доказательства универсальности пептидной связи в белках. Реакция на пептидную связь.

Принципы структурной организации белков. Первичная структура белков – состав и последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепи. Пептидная связь и ее свойства: копланарность, транс- и циспептидная связь, величины торсионных углов. Значение первичной структуры для конформации белков и их функции. Молекулярные болезни.

Вторичная структура белков. Связи, стабилизирующие данную конформацию. Виды вторичной структуры белка (α-спираль, β-структура), параметры. Вклад отдельных аминокислот в образование вторичной структуры белка. Суперспираль – структура фибриллярных белков. Особенности аминокислотного состава фибриллярных белков. Структура коллагена и фиброина шелка.

Третичная структура белков – способ пространственной укладки полипептидной цепи. Роль аминокислотных остатков в ее образовании. Нековалентные взаимодействия, определяющие структуру белковой молекулы. Вандерваальсовы взаимодействия: дисперсионные, индукционные, ориентационные. Электростатические связи радикалов аминокислот, гидрофобные взаимодействия. Роль среды в образовании конформации белков. Структурный домен – единица свертывания полипептидной цепи. Третичная структура белков – относительное расположение доменов в пространстве. Принципы самосборки белковых молекул.

Четвертичная структура белков. Дисульфидные связи в белках. Значение четвертичной структуры белков для их функции. Строение и функции миоглобина и гемоглобина.

Физико-химические свойства белков: молекулярная масса, кислотно-основные свойства белков. Заряд белковой молекулы, изоэлектрическая точка. Буферные свойства белков. Растворимость, коллоидные свойства, денатурация и оптические свойства белков.

Классификация белков: по форме молекулы, составу, структуре и функциям.

Характеристика классов сложных белков: нуклеопротеиды, липопротеиды, гликопротеиды, фосфопротеиды, хромопротеиды, металлопротеиды, флавопротеиды.

Ферменты. Ферменты – биологические катализаторы. Белковая природа ферментов. Характеристика ферментов как белковых соединений: термолабильность, зависимость активности от рН среды, специфичность. Уровни специфичности ферментов: абсолютная, относительная, стереоспецифичность.

Общие закономерности строения ферментов. Понятие об активном и аллостерическом центрах. Одно- и двухкомпонентные ферменты. Понятие о коферменте, простетической группе, апоферменте и холоферменте. Природа и функции коферментов ферментативных реакций.

Кинетика ферментативного катализа. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Константа Михаэлиса.

Механизм действия ферментов. Черты сходства и различий в действии биокатализаторов (ферментов) и катализаторов неорганической природы. Значение фермент-субстратного комплекса в обеспечении специфичности и скорости ферментативной реакции. Энергетические преобразования в фермент-субстратном комплексе, обеспечивающие снижение энергии активации катализируемой реакции. Механизм образования фермент-субстратного комплекса. Теория Фишера «ключ-замок», ее критика. Теория Кошланда – индуцированное взаимодействие фермента и субстрата, ее доказательство.

Номенклатура и классификация ферментов, основанная на типах катализируемых биохимических реакций. Характеристика классов ферментов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, изомеразы, лиазы, лигазы (синтетазы). Систематические и тривиальные названия ферментов.

Регуляция активности ферментов – основа регуляции обмена веществ. Влияние концентрации субстрата и фермента на активность ферментативных процессов. Эффекторы (модуляторы) – регуляторы активности ферментов: активаторы и ингибиторы активности. Понятие о конкурентных и неконкурентных ингибиторах. Аллостерическая регуляция активности ферментов. Роль циклической АМФ и протеиназ в активировании ферментов.

Значение организации ферментных систем для регуляции активности. Ферментные ансамбли и надферментативные комплексы.

Изоферменты как способ регуляции ферментативной активности. Характеристика функциональной роли изоферментов на примере лактатдегидрогеназы. Применение ферментов в медицине и народном хозяйстве.

Витамины. Общая характеристика. Роль витаминов в питании. Авитаминозы, гиповитаминозы и гипервитаминозы. Связь витаминов и ферментов.

Жирорастворимые витамины. Витамин А (ретинол), источники, участие в зрительной рецепции. Витамин Д (кальциферол), структура и роль в кальциево-фосфатном обмене. Витамин Е (токоферол) – основной природный мембранный антиоксидант. Витамин К (нафтохинон), его участие в процессах свертывания крови. Витамин F – комплекс ненасыщенных жирных кислот.

Водорастворимые витамины. Витамин В₁ – тиамин, В₂ – рибофлавин, РР – никотиновая кислота (устаревшее название – В₃), В₅ – пантотеновая кислота, В₆ – пиридоксаль, В₁₂ – цианкобаламин и др. Строение, механизм действия, источники. Витамины группы Д – важнейшие коферменты клетки. Витамин С (аскорбиновая кислота) и ее роль в окислительно-восстановительных реакциях, синтезе коллагена, гормонов, медиаторов.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеотиды – сложные структурные единицы нуклеиновых кислот. Характеристика молекул, входящих в состав нуклеотидов. Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания. Углеводы в составе нуклеотидов.

Два типа нуклеиновых кислот, основные понятия об особенностях их структуры. Сравнительная характеристика ДНК и РНК по составу главных и минорных азотистых оснований, строению углевода, молекулярной массе, локализации в клетке и функциям.

Первичная структура ДНК. Связи, соединяющие нуклеотиды в ДНК. Методы исследования первичной структуры ДНК. Вторичная структура ДНК. Двойная спираль – структурная организация молекулы ДНК. Принцип комплементарности пуриновых и пиримидиновых оснований и его реализация в структуре нуклеиновых кислот. Правила Чаргаффа. Данные рентгеноструктурного анализа о периодичности в структуре молекулы ДНК, шаг спирали, диаметр молекулы. Третичная структура ДНК. Способ плотной укладки длинных цепей ДНК в очень ограниченном пространстве клетки у прокариотов и эукариотов. Гистоны и негистоновые белки. Характеристика гистонов, их роль в организации третичной структуры ДНК. Состав хроматина.

Свойства ДНК. Величина молекулы, вязкость, поглощение в ультрафиолетовой области спектра, влияние температуры и рН на структуру ДНК.

Строение и свойства РНК. Типы РНК. Матричная (информационная) РНК. Молекулярная масса, первичная структура. Транспортные РНК – тРНК. Особенности нуклеотидного состава тРНК. Минорные основания. Вторичная структура тРНК – тип клеверного листа. Третичная структура. Функциональные участки тРНК. Разнообразие тРНК в клетке. Рибосомальные РНК. Особенности структуры, свойства и функции.

Репликация ДНК. Транскрипция. Генетический код, его свойства. Биосинтез белка (трансляция). Стадии биосинтеза белка: образование аминоацил-тРНК, инициация, элонгация, терминация, постсинтетическая модификация

Обмен белков.

Ферментативный гидролиз белков. Протеолитические ферменты, их специфичность, активация. Ограниченный протеолиз. Пути образова­ния и распада аминокислот в организме. Переаминирование, его механизм, биологическое значение. Процессы дезаминирования и декарбоксилирования аминокислот. Образование аммиака. Транспорт аммиака. Восстановительное аминирование. Амиды и их физиологическое значение. Особенности обмена отдельных аминокислот и их роль в образова­нии ряда важнейших биологически активных веществ. Биосинтез мочевины. Азотистые небелковые вещества, их синтез, распад и биологическая роль.

Нарушения структуры и обмена белков. Наследственные заболевания. Алкалоиды, их роль у растений и значение в медицине.

Углеводы. Общая характеристика углеводов, строение, классификация, роль в живой природе.

Моносахариды: изомерия, конформация, оптическая активность, физико-химические свойства. Важнейшие представители: глицериновый альдегид, глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза, галактоза и др.

Олигосахариды. Строение, функции. Важнейшие дисахариды: лактоза, сахароза, мальтоза.

Полисахариды. Структурные мономеры полисахаридов. Гомо- и гетерополисахариды. Сравнительная характеристика важнейших полисахаридов: крахмала, гликогена, целлюлозы. Глюкозаминогликаны. Строение и функции гиалуроновой кислоты, гепарина.

Гликопротеины и гликолипиды. Взаимопревращения моносахаридов.

Общая характеристика обмена веществ и энергии. Понятие о метаболизме, катаболизме и анаболизме, метаболических циклах и центральных метаболических путях.

Анаэробный и аэробный распад углеводов. Гликолиз. Спиртовое брожение. Биосинтез полисахаридов. Гликозил-трансферазные реакции. Гликонеогенез. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Пируватдегидрогеназный комплекс. Цикл трикарбоновых кислот. Цепь транспорта электронов в митохондриях. Механизм окислительного фосфорилирования. Гипотеза Митчела. Окислительное фосфорилирование на уровне субстрата. Энергетическая характеристика аэробной и анаэробной фазы углеводного обмена. Прямое окисление глюкозо-6-фосфата. Пентозофосфатый путь обмена углеводов, его биологическая роль.

Биоэнергетика.

Макроэргические соединения. Нуклеозидфосфаты, АТФ, креатин-фосфат и аргининфосфат. Пути образования АТФ и других макроэргических соединений. Окислительное фосфорилирование. Окислительно-восстановительные процессы. Цепь переноса водорода и электронов (дыхательная цепь). Энергетическое значение ступеньчатого транспорта электронов от субстратов окисления к кислороду. НАД- и НАДФ зависимые дегидрогеназы. Флавиновые ферменты, убихинон, цитохромы и цитохромоксидаза. Окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи. Представление о механизмах сопряжения окисления и фосфори-лирования в дыхательной цепи. Митохондрии, структура и энергетические функции. Трансмембранный потенциал ионов водорода как форма запасания энергии.

Липиды. Общая характеристика липидов. Классификация липидов в соответствии с их химическим строением. Функции липидов: энергетическая, защитная, структурная, как предшественников биологически активных соединений – гормонов и витаминов.

Жирные кислоты – характерные структурные компоненты большинства липидов. Характеристика насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, конформация, физико-химические свойства. Заменимые и незаменимые жирные кислоты.

Триглицериды (триацилглицеролы). Строение, свойства, функции, локализация.

Фосфолипиды – основные компоненты биологических мембран. Строение фосфолипидов и характеристика входящих в их состав компонентов. Свойства молекул фосфолипида. Конформация молекулы. Взаимодействие с водой. Строение мицелл. Структура и функции главных представителей фосфолипидов – фосфатидилсерина, фосфатидилэтаноламина, фосфатидилхолина, кардиолипина.

Гликолипиды. Цереброзиды – сфинголипиды, содержащие остатки углеводов. Их строение и локализация в клетках. Ганглиозиды – наиболее сложные представители сфинголипидов. Структура и функции ганглиозидов. Локализация ганглиозидов в мембранах нервных и других клеток. Характерный структурный компонент гликолипидов – ацетилнейраминовая кислота.

Стероиды – неомыляемые липиды. Холестерин (холестерол), его эфиры с жирными кислотами. Структура, свойства холестерола, его локализация в клетке. Производные холестерина – витамины группы Д, стероидные гормоны (половые гормоны, кортикостероиды), желчные кислоты. Воска, терпены.

Биологические мембраны и их функции.

Строение мембран и роль липидов, белков и углеводсодержащих соединений в их организации. Перенос веществ и сигналов через мембраны.

Принципы регуляции обмена веществ в клетке.

Химическая природа и физиологическая роль важнейших гормонов, их роль в регуляции обмена веществ и синтеза белков. Механизм действия стероидных и белковых гормонов. Функции циклических нуклеотидов в регуляторных реакциях. Связь между обменом белков, углеводов и липидов. Обмен веществ как единая система процессов.

а) основная литература

1. Биохимия: Учебник для вузов / Под ред. Е. С. Северина.-М.: Гэотар-Мед, 2003.

-779 с.; 2004. -779 с.; 2005. -779 с.; 2008. -759 с.

2. Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Молекулярная биология: Учебник для студентов

высших учебных заведений — М.: Академия, 2003.— 396 с.

б) дополнительная литература