Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии
.pdfю. 5. ФИnИППОВИЧ
ОСИОВЬI
виохимии
Издание четвертое, переработаШlOе
и дополненное
Рекомендовано Управлением Учебного книгоиздания,
библиотек и медиатек Министерства образования
Российской Федерации
в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
И специальности "Химия" и "Биолоmя"
I
(сМАР) |
(сФПИНТА) |
~ |
Москва |
Москва |
Санкт-Петербург |
1999
ББК 28.072 (28.072)
ф53
Рецензент: главный научный сотрудник Инстиtyt8 физико-химической биологии им
А. Н. Белозерского MOCKOB~KOГO го~удар~твеJiНОГО )'Нивер~итета ИМ. М. В. Ломоносова
д-р биол. "аук, COpocoBc1Wti проф. II. К. Haгplдa..
Филиппович ю. Б.
Основы биохимии: Учеб. для хим. и биол. спец. пед. ун-тов и ин-тов. - 4-е изл., перераб. и доп. - М.: изд-во "Агар", 1999.-512 с.: ил.
ISBN 5-89218-046-8
Описаны строение и метаболизм белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов,
минеральных веществ, биологически активных соединений, процессы биологического
окисления и регуляции обмена веществ. Издание (l-e-1969 г., 2-е-1985 г., 3-е-1993 г.)
отличается существенным обновлением материала, усилением проблемного характера
изложения всех глав, включением элементов молекулярной биологии и биотехнологии.
|
© ю. Б. ФИЛИПIJОВИЧ, 1999 |
ISBN 5-89218-046-8 |
© "Агар",1999 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
ИСЮIЮчительвая диваМИJШОСТЬ развития биохимии обусловила необходи
мость переработки третьего издания учебника, вышедшего в свет н~колько
лет тому назад. Это выразилось не только в приведении учебного материала
в соответствие с современным состоянием биохимических знаний, но и в из
менении подходов к изложению и соотношению отдельных разделов в нем,
вплоть до введения элементов молекулярной биологии и биотехнолоmи,
наиболее ярко раскрывающих практический потенциал современной биологи
ческой химии.
При отборе материала для четвертого издания учебника учитывалось, как и ранее, значение определенных разделов биохимии для формирования отчет
ливых представлений по общей биохимии, а также то, что развитие самой
биохимии в отдельных ее частях идет неравномерно: за последнее время
произошли огромные сдвиги в изучении строения и обмена некоторых групп
органических соединений. Поэтому в книге уделено много внимания строению
белков, нуклеиновых кислот и ферментов, рассмотрены особенности белковых тел как носителей жизни, обращено внимание на принцип комплементарности
в строении нуклеиновых кислот и его значение в матричном биосинтезе природных полимеров, изложены современные представления о биолоmче ском окислении, регуляции обмена веществ и взаимосвязи обмена соединений
различных классов. Там, где это уместно, освещены вопросы использования
достижений биохимии в развитии новых направлений в биологических науках
(химическая систематика, молекулярные основы наследственности, изменчи
вости и эволюции и др.), медицине (наследственные болезни, биохимическая диагностика, стратегия химиотерапии, взаимодействие вирусов и клеток
ит. п.), сельском хозяйстве (биохимическая паспортизация генетического фон да, экологическая биохимия, клеточная инженерия и др.) и промышленном
производстве (инженерная энзимология, техническая биохимия, фармацевти ческая химия, микробиологический синтез и т. п.).
Перечисленные материалы, в том числе и те из них, которые касаются
философских, социальных и морально-этических аспектов современной биохи
мии (проблема сущности жизни, перспективы развития генетической инжене рии, соотношение физической, химической и биологической форм движения материи и др.), обеспечивают необходимый уровень подготовки будущих учителей для преподавания в средней школе не только курса органической
химии и курса общей биологии, но и для успешного решения всего комплекса
задач по реализации основных направлений реформы общеобразовательной
ипрофессиональной школы, равно как и перестройке высшего педагоmче ского образования в нашей стране. Решительная направленность последней на развитие самостоятельной работы студентов обеспечивается широким привле чением дополнительной литературы, рекомендуемый перечень которой чита тель найдет в конце учебника. Кроме того, одновременно с выходом учебника
3
в свет издательство «Прометей» опубликует методические разработки «Свод ные вопросы для подготовки студентов к безмашинному самоконтролю по
курсу биохимии», в которых отражен многолетний опыт преподавания биохи мии в МПГУ им. В. и. Ленина. Он складывается из широкого использования
модульного принципа изучения курса, рейтинговой системы оценки знаний и проведения экзамена в форме студенческих докладов, рекомендуемые темы
которых и литература к ним помещены в этом же методическом руководстве.
Учитывая, что при изложении основ такой стремите-I,IЬНО развивающейся науки, как биохимия, неизбежНЫ'как различные толкования тех или иных ее проблем, так и отдельные неточности, автором будут с признательностью
приняты советы, пожелания и замечания по содержанию данной книги.
Автор выражает искреннюю признательность д-ру биол. наук, Соросовс кому проф. Н. К. Наградовой за тщательное рецензирование рукописи и цен
ные советы по ее содержанию и канд. биол. наук о. п. Курановой-за по
мощь в подготовке библиографии и рисунков.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Биологическая химия-наука о качественном составе, количественном со
держании и преобразованиях в жизненных процессах соединений, образующих
живую материю.
Как самостоятельная научная дисциплина, биохимия оформилась во второй половине XIX в., когда в ряде университетов были созданы кафедры
биохимии, написаны учебники, начали издаваться научные журналы, и курс биохимии стал обязательной составной частью учебных планов при подготов ке биологов и медиков. Причинами для выделения биохимии в отдельную науку были значительные успехи, достигнутые органической химией в изуче
нии многочисленных природных соединений и физи'ологией в области ис
следования процессов, протекающих в животных и растительных организмах
(поэтому на заре возникновения биохимию называли физиологической
химией). Кроме того, развитие биохимии теснейшим образом связано
спотребностями практики - медицины, сельского хозяйства и промыш
ленности.
Особенно бурный процесс развития биохимии характерен для последних
десятилетий. Этому способствовало в первую очередь прогрессирующее
применение В биохимических исследованиях новых физико-химических ме тодов. Исключительную роль в расширении возможностей научного поиска в биохимии сыграло внедрение в практику биохимических работ рентге ноструктурного анализа, электронной микроскопии, газовой, жидкостной, гелевой и капиллярной хроматографии, метода меченых атомов, инфра
красной и ультрафиолетовой спектрофотометрии, флуоресцентного и по
лярографического анализа, электрофореза, метода молекулярных сит, масс
спектрометрии, разделения веществ в гравитационном поле ультрацентри
фугированием, методов дисперсии магнитооптического вращения, магнитного
кругового дихроизма, электронн:ого парамагнитного резонанса, ядерного
магнитного резонанса и др.
Введение новых методических приемов каждый раз поднимало биохими
ческую науку на более высокую ступещ> познания закономерностей жизнеде
ятельности организмов, открывало новые уровни исследования живого. Свое образной чертой последнего периода в развитии биохимии является широкое
применение скоростных методов анализа в соединении с автоматическим
контролем. Это в значительной мере облегчает и ускоряет выполнение намеча
емых научных программ. В настоящее время полностью автоматизированы: количественное определение ряда соединений-аминокислот в белковых гид
ролизатах, моно- и дисахаридов в биологических жидкостях (кровь, моча
и др.); выяснение первичной структуры пептидов, белков и нуклеиновых кислот; проведение исследований по кинетике ферментативного катализа
и при серийных определениях энзиматической активности; элементарный ана
лиз природных соединений; синтез пептидов, олигонуклеотидов и белков;
5
процедуры хроматографического и гельфильтрационного фраКЦИQнирования природных соединений; денситометрирование хроматограмм, электрофоре
грамм и авторадиограмм с выходом на компьютерные системы; проведение
работ по установлению уровня включения радиоактивныIx предшественников в те или иные соединения метаболического фонда. В нашей стране созданы
жидкосгные и тазовые хроматографы, секвенаторы, масс-спектрометры и рентгеновские дифрактометры высокого класса, используются ЭВМ для управления автоматизированными системами анализа и обработки получа емой информации.
Разделы современной биохимни. Современная биологическая химия охваты вает большую область человеческого знания. В связи С огромным объемом
факmческого материала и разнообразием Теоретических обобщений биохимия
распадается на ряд отделов, каждый из которых имеет самостоятельное
значение. В зависимости от подхода к изучению живой материи биохимию
делят на статическую, динамическую и функциональную. Статическая биохи Мия занимается исследованием химичесlюго состава организмов. При этом ~ понятие химического состава включают как качесгвенный состав (и строе
ние) соединений, так и количественное их содержание в тех или иных биологи
.ческих объектах. Динамическая биохимия изучает превращение химических
соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жиз
не,nеятельнQCТИ органических форм. Функциональная биохимия выясняет связи
между сгроением химических соединений и процессами их видоизменения,
С одной стороны, и функцией субклеточных частиц специализированных кле ток, тканей или органов, включающих в свой состав упомянутые вещества,- с другой.
Деление это в значительной мере условно. Практически в ходе биохимиче ских исследований все три раздела тесно переплетаются друг с другом: ведь в живом организме состав и строение веществ неотделимы от их преобразова ний, равно как и от функций тех структур, органов и тканей, в которых эти
вещества находятся. |
. |
В зависимости от объекта или направления исследований современная
биохимия распадается на несколько самостоятельных разделов.
Общая биохимия рассматривает закономерности строения. содержания
и преобразования в процессе жизнедеятельности организмов химических со
единений, общих для живой материи в целом.
Биооргаиическая химия выясняет физико-химические основы функциониро
вания важнейших систем живой клетки, используя идеи, методы и приемы химии, включая структурный и стереохимический анализ, частичный и полный синтез природных соединений и их аналогов, разработку препараmвных
и технологических методов получения природных веществ и их химической
модификации в непосредственной связи с биологической функцией ·этих
соединений.
Биоиеоргаиическая химия исследует структуру и функциональную актив
ность комплексов неорганических ионов с органическими молекулами (лиган
дами), их участие в процессах жизнедеятельности вплоть до изучения возмож ности использовать координационные соединения в качестве моделей биоло
гических систем.
Биохимия животных изучает состав животных организмов и превращения
в них веществ и энергии.
Биохимия растений исследует состав растительных организмов и превраще ний в них вещесгв и энергии.
Биохимия микроорганизмов выясняет те же вопросы, что и два предыдущих
раздела биохимии, но объектом исследования ЯВЛJlЮТСЯ микрооргаlIИЗМЫ.
6
~едицинская биохимик иСследует
состав и превращение веществ и энер
гиИ 11 организме человека в норме и па
тологии.
Ветеринарная биохимия изучает те
же вопросы у животных.
'Thхническая биохимия выясняет со- ;:,
став вцжнейших пищевых продуктов, ~
изучает превращения, происходящие :t
при их производстве и хранении, а так- ~
же разрабатывает способы применения ~
биохимических процессов в промыш- ~
ленности. ~
Сравнительная биохимия сопостав
ляет состав и пути видоизменения ве ществ у организмов различных систе
матических групп, в том числе в эволю
ционном аспекте (эволюционная био химия)..
Радиационная биохимИJI изучает из |
|
|
менение состава и обj\1ена веществ |
|
|
в организме при действии на него ио |
|
|
низирующих излучений и разрабатыва- |
|
|
ет метоДЫ биохимической защиты от |
Рис. 1. Соотношение современной биохимии |
|
радиации. |
||
Квантовая биохимия сопоставляет |
и сопредельных разделов фундаментальной |
|
биологии: |
||
свойства, функции и пути превращения |
||
3IIштрихованна8 часть параллелепипеда-раэделы. omocs· |
||
в организме соединений, имеющих био |
||
ЩIIеса J[ биохимии |
||
логическое значение,оС их электронными |
|
характеристиками, полученными при помощи квантово-химических расчетов.
КОсмическая биохимия занимается исследованием биохимических проблем,
связанных с освоением человечеством космического пространства.
Фундаментальное значение биохимии для ряда сопредельных наук насто
лько возросло, что в настоящее время не так-то просто очертить ее границы.
Оригинальную попытку сделать это предприняла недавно реДl(оллегия журна
ла «Биохимия» (1989, т. 54, вып. 1), исходя из уровня сложности объекта
исследования, его биологической функции и методологического подхода, что
наглядно представлено на рис. 1. С этой точки зрения современную биохимию
следовало бы определить как науку, раскрывающую закономерности жизнеде ятельности на уровне молекул, субклеточных частиц, клеток, организма, био логических сообществ и биосферы при посредстве физических, химических
и биологических методов исследования.
Значеиие биохимии в биологии, медицине, сельском хозяйстве и промыш ленности. Из приведенного далеко не полного перечня основных разделов
современной биохимии ясно ее огромное теоретическое и практическое зна чение~ Биохимия приобретает все большее основополагающее значение
в биологии, так как проникновение в самую глубокую сущность жизненных
явлений, управление жизнедеятельностью организма человека, животных,
растений и микроорганизмов будет достигнуто только тогда, когда биохи мическая наука позволит расшифровать в достаточной мере набор, строение
и свойства химических соединений, из которых Слагается все живое, и выяс
нить закономерности их превращений в процессе существования живой ма
терии.
7
Вместе с тем уже на данном этапе своего развития биохимия является фундаментом для решения многих вопросов в биологии, медицине, животно водстве, растениеводстве, промышленности микробиологического синтеза, пи
щевой промышленности и т. д.
В недрах биохимии, на стыке биологии, химии, физики, математики и ки
бернетики, зародилась наука об особенностях строения и свойств молекул,
обеспечивающих существование биологической формы движения материи,
молекулярная биология. Шаги этой молодой науки столь стремительны, что порой превосходят воображение: заложены основы для понимания механизма биологического катализа и, следовательно, управления процессами жизнеде ятельности, выявлены кардинальные закономерности специфического биосин теза макромолекул, все больший размах приобретают работы по генетической инженерии. В результате исследования процессов преобразования нуклеино вых кислот под влиянием физических факторов и химических агентов найдены
принципиально новые подходы к пониманию явлений измен~ивости и наслед
ственности в природе.
Успехи в изучении структуры белков и нуклеиновых кислот заложили
прочные основы для развития биохимической систематики, молекулярной
эволюции и биохимической генетики, благодаря чему описательный характер
биологических наук все более изменяется в направлении познания сущности
биологических явлений. Возникли такие новые области биологических
наук, как химическая филогения, экологическая биохимlUl, химическая зоо логия, фитохимическая экология. Изучение роста, развития и дифферен цировки растительных и животных форм уже невозможно без знания молекулярных основ этих процессов. Даже такие, казалось бы, совершенно
далекие от биохимии области биологии, как популяционный анализ, ав торегуляция численности особей и другие, получают объяснение на мо
лекулярном уровне.
Настала эра химической биологии.
В медицине успехи биохимии определяют стратегию создания и примене
ния лекарственных веществ, являются источником новых. методов для
диагностики заболеваний и основой для пор'азительных открытий, .каса
ющихся выяснения причин тех или иных патологических процессов в ор
ганизме. В частности, оказалось, что м~огие болезни, передающиеся по
наследству, возникают в результате нарушения отдельных звеньев обмена белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, гормонов и т. п. Это
послужило причиной для выделения в отдельную ветвь медицины учения
о молекулярных основах патологии и. в частности, об энзимопатиях, т. е. нарушениях функций ферментов, приводящих к развитию заболевания. Глубокое проникновение в биох~ию вирусов, выяснение строения и условий
саморепродукции многих из них, расшифровка механизма взаимодействия
вирусного и клеточного геномов, а также взаимообусловленности метаболи
зма вирусных частиц и· субклеточных структур клетки-хозяина позволили
в ряде случаев создать '}ффективные методы борьбы с вирусными заболева
ниями.
Открытие в течение последнего десятилетия нового класса биологически
активных пептидов- эндорфинов и энкефалинов, в новом свете представило
проблему психотерапии и управления поведенческими реакциями животных
и человека, сделало крайне актуальным вопрос о социальных последствиях развития биохимии.
Наконец, выполнение государственной научно-технической программы по
выяснению полной первичной структуры ДНК генома человека. представлен
ной 3 миллиардами нуклеотидных остатков, открывает неисчерпаемые и пока
8
трудно предсказуемые перспективы поистине революционных преобразо'Ваний
в устранении наследственных болезней.
Применение многочисленных и разнообразных химических препаратов
в животноводстве и растениеводстве, базирующееся на данных биохимии
и физиологии, способствует подъему продуктивности указанных отраслей сельского. хозяйства и производительности труда. Особенно важно полное удовлетворение потребностей сельского хозяйства в микроэлементах, витами нах, белковых добавках (в виде кормовых дрожжей и белково-витаминных
концентратов), синтетических аминокислотах (треонин, триптофан, лизин)
икормовых антибиотиках, а также производство высокоэффективных и эколо гически безопасных средств защиты растений, в том числе инсектицидов 3-го
и4-го поколений, созданных в результате изучения регуляторов роста насеко
мых-гормонов (экдизона и ювенильных гормонов) и антигормонов.
Наряду С отмеченным выше практическим значением для сельского хозяйства биохимия все более становится его теоретической основой.
Это выражается .в разработке методов раннего прогнозирования про дуктивности сельскохозяйственных животных ПО биохимическим тестам
(структурное состояние ДНК, характеристика степени полиморфизма белков и ферментов и др.), биохимической паспортизации генетического фонда
с целью отбора пар для скрещивания при выведении новых высокопро дуктивных сортов растений и пород животных, использовании данных
омножественных формах ферментов у родителей для получения высо
когетерозисного потомства и для контроля завершенности селекционного
процесса. В результате проведения фундаментальных биохимических ис
следований непрерывно обогащаются представления о регуляции роста
и развития растений и животных путем целенаправленного изменения
их генотипов, вырисовываются перспективы создания при посредстве ге
нетической и клеточной инженерии форм, обладающих уникальными, заранее
предусмотреllliЫМИ качествами. Одним из наиболее ярких примеров фун
даментальных исследований такого рода являются работы по переносу
в клетки высших растений генов, обеспечивающих фиксацию молекулярного
азота.
Всестороннее изучение биохимии микроорганизмов и открывшиеся при
этом широкие перспективы их практического использования привели
к созданию промыmленности микробиологического синтеза вместо разрознен
Hыx бродильных производств. Ее продукцию составляют кормовой белок (а в будущем-пищевой белок), аминокислоты, все без исключения антибиоти
ки (кормовые и медицинские), многие витамины и практически все гормоны
и ферменты. В ближайшие годы расширится ассортимент и возрастет объем
производства сложнейших химических соединений, получаемых путем микробиологического синтеза. Залогом этого служат большой размах и высокие темпы биохимических исследований жизнедеятельности микроор
ганизмов, равно как и использование методов генетической и клеточной
инженерии для создания ~кроорганизмов-суперпродуцентов перечислен
НbIX веществ. Именно так получены штаммы-суперпродуценты Bacillus
subti/is, Escherichia coli и Brevibacterium flavum, накапливающие в 1 л
культуральной среды до 10 г триптофана, 20 г треонина и 80 г лизина
соответственно.
Во многих отраслях промьппленности широко используют достижения технической биохимии. Это относится прежде всего к пищевой промыш
ленности; хлебопечение, виноделие, сыроварение, консервирование продуктов,
производство чая, растительных и животных жиров и масел, переработка
МО~IOка, мяса и т. п. непрерывно совершенствуются в результате введения
9