← Вся энциклопедияНаука и стандарты

Биохимия

Материал носит справочный характер и не является медицинской рекомендацией. Перед применением мёда и продуктов пчеловодства в лечебных целях проконсультируйтесь с врачом.

Определение и предмет

  • Биохимия (от греч. bios — жизнь и араб. al-kimiya — искусство превращения) — наука о химическом составе живых организмов, химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности, и молекулярных механизмах биологических функций.
  • Предмет биохимии включает:
    • Структуру и функции биомолекул.
    • Метаболические пути и их регуляцию.
    • Механизмы трансдукции сигналов.
    • Молекулярные основы наследственности и экспрессии генов.
    • Энергетические преобразования в клетках.
  • Разделы биохимии: структурная, динамическая, функциональная, медицинская, техническая (биотехнологическая), сравнительная и эволюционная биохимия.

Исторический очерк

  • Этап эмпирический (до XVIII века): брожение, пищеварение, лекарственные растения.
  • Этап зарождения (XVIII–XIX вв.):
    • А. Лавуазье — дыхание как медленное окисление.
    • Ф. Вёлер (1828) — синтез мочевины из неорганических веществ.
    • Л. Пастер — микробиологическая природа брожения.
  • Этап классической биохимии (конец XIX — середина XX в.):
    • Э. Бухнер (1897) — бесклеточное брожение.
    • Открытие витаминов, гормонов, коферментов.
    • Г. Кребс — цикл лимонной кислоты (1937).
    • М. Кальвин — цикл фотосинтеза.
  • Молекулярно-биологический этап (с 1950-х):
    • Уотсон и Крик — структура ДНК (1953).
    • Расшифровка генетического кода.
    • Развитие ферментологии, биоинформатики, структурной биологии.

Химический состав живых организмов

Элементный состав

  • Органогены: C, H, O, N (≈96–98% массы).
  • Макроэлементы: Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg (≈2–4%).
  • Микроэлементы: Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Se, I, Co и др. (менее 0,1%).
  • Ультрамикроэлементы: Au, Ag, Hg, U и др. (следовые количества).

Биомолекулы

  • Низкомолекулярные соединения:
    • Аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды, жирные кислоты.
    • Метаболиты (промежуточные продукты обмена).
    • Вторичные метаболиты (алкалоиды, терпены, флавоноиды).
  • Макромолекулы (биополимеры):
    • Белки — полимеры аминокислот.
    • Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК.
    • Полисахариды — гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин.
    • Липиды — жиры, фосфолипиды, стероиды (не являются полимерами в строгом смысле).
  • Супрамолекулярные комплексы: рибосомы, протеасомы, мембранные комплексы, хроматин.

Вода в биохимии

  • Вода — универсальный растворитель и среда реакций.
  • Участвует в гидролизе, гидратации, транспорте веществ.
  • Поддерживает осмотическое давление и pH (буферные системы).

Ферменты

Общая характеристика

  • Ферменты — биологические катализаторы белковой (реже РНК-овой) природы.
  • Ускоряют реакции в 10⁶–10¹² раз без смещения равновесия.
  • Обладают субстратной специфичностью и стереоспецифичностью.
  • Регулируются аллостерически, ковалентной модификацией, ингибиторами.

Структура

  • Активный центр — участок связывания субстрата и катализа.
  • Аллостерический центр — участок регуляции эффекторами.
  • Кофакторы: ионы металлов (Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺/³⁺) и коферменты (NAD⁺, FAD, CoA, THF).
  • Апофермент + кофактор = холофермент.

Классификация (МКФ)

  1. Оксидоредуктазы — окислительно-восстановительные реакции.
  2. Трансферазы — перенос групп.
  3. Гидролазы — гидролитическое расщепление.
  4. Лиазы — разрыв связей негидролитическим путём.
  5. Изомеразы — внутримолекулярные перестройки.
  6. Лигазы (синтетазы) — образование связей с затратой АТФ.

Кинетика

  • Уравнение Михаэлиса–Ментен: ( v = V_{max} [S] / (K_m + [S]) ).
  • ( K_m ) — константа Михаэлиса (субстратная аффинность).
  • Ингибирование: конкурентное, неконкурентное, бесконкурентное, смешанное.

Метаболизм

Общие принципы

  • Катаболизм — деградация субстратов с выделением энергии (АТФ, NADH, FADH₂).
  • Анаболизм — синтез сложных молекул с затратой энергии.
  • Метаболические пути компартментализованы (цитозоль, митохондрии, ЭПР).
  • Регуляция: аллостерическая, гормональная, транскрипционная.

Основные пути катаболизма

Гликолиз

  • Цитозольный путь окисления глюкозы до пирувата.
  • Суммарно: глюкоза + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 пирувата + 2 NADH + 2 АТФ.
  • Регуляторные ферменты: гексокиназа, фосфофруктокиназа-1, пируваткиназа.
  • Анаэробно → лактат (у животных), этанол + CO₂ (у дрожжей).

Окислительное декарбоксилирование пирувата

  • Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК): пируват → ацетил-КоА + CO₂ + NADH.
  • Коферменты: TPP, липоевая кислота, FAD, NAD⁺, CoA.

Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса, ЦТК)

  • Митохондриальный матрикс.
  • Ацетил-КоА + оксалоацетат → цитрат → … → оксалоацетат.
  • Продукты: 3 NADH, 1 FADH₂, 1 ГТФ (АТФ), 2 CO₂ за цикл.
  • Амфиболический путь (участвует в глюконеогенезе, синтезе аминокислот).

Окислительное фосфорилирование

  • Электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) на внутренней мембране митохондрий.
  • Комплексы I–IV; перенос электронов сопряжён с протонным градиентом.
  • АТФ-синтаза (комплекс V) — хемиосмотическое сопряжение (теория Митчелла).
  • Итог: 1 NADH ≈ 2,5 АТФ; 1 FADH₂ ≈ 1,5 АТФ.

β-Окисление жирных кислот

  • Митохондриальный матрикс (для длинноцепочечных — с участием карнитинового челнока).
  • Цикл из 4 реакций: дегидрирование, гидратация, дегидрирование, тиолиз.
  • Продукты: ацетил-КоА, NADH, FADH₂.

Пентозофосфатный путь

  • Цитозоль; генерация NADPH и рибозо-5-фосфата.
  • Окислительная и неокислительная фазы.

Анаболические пути

Глюконеогенез

  • Синтез глюкозы из лактата, глицерина, аминокислот.
  • Ключевые ферменты: пируваткарбоксилаза, ФЕП-карбоксикиназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза.
  • Локализация: печень, корковое вещество почек.

Синтез жирных кислот

  • Цитозоль; ацетил-КоА → малонил-КоА (ацетил-КоА-карбоксилаза).
  • Жирнокислотный синтазный комплекс (ФАС) — мультиферментный комплекс.
  • NADPH — донор восстановительных эквивалентов.

Синтез аминокислот

  • Трансаминазы, глутаматдегидрогеназа.
  • Незаменимые аминокислоты не синтезируются у человека.

Синтез нуклеотидов

  • Пурины: из рибозо-5-фосфата, глицина, глутамина, аспартата, формила, CO₂.
  • Пиримидины: из карбамоилфосфата и аспартата.
  • Регуляция по принципу обратной связи.

Биоэнергетика

Макроэргические соединения

  • АТФ — универсальная «энергетическая валюта».
  • Креатинфосфат — резервный фосфаген в мышцах.
  • ГТФ, УТФ, ЦТФ — для специфических синтезов.
  • Фосфоенолпируват, 1,3-бисфосфоглицерат — субстратное фосфорилирование.

Термодинамика

  • ΔG°′ гидролиза АТФ ≈ −30,5 кДж/моль.
  • Сопряжение экзергонических и эндергонических реакций.

Регуляция метаболизма

Гормональная регуляция

  • Инсулин: анаболический сигнал (активация гликолиза, гликогенеза, липогенеза).
  • Глюкагон: катаболический сигнал (гликогенолиз, глюконеогенез).
  • Адреналин: мобилизация энергии при стрессе.
  • Кортизол: длительная адаптация, глюконеогенез.
  • Тиреоидные гормоны: базальный метаболизм.

Аллостерическая регуляция

  • АТФ/АДФ/АМФ — индикаторы энергетического статуса.
  • Цитрат — активатор ацетил-КоА-карбоксилазы, ингибитор фосфофруктокиназы.
  • Ацетил-КоА — активатор пируваткарбоксилазы.

Ковалентная модификация

  • Фосфорилирование/дефосфорилирование (киназы/фосфатазы).
  • АДФ-рибозилирование, метилирование, ацетилирование.

Транскрипционная регуляция

  • Экспрессия генов метаболических ферментов (например, HMG-CoA-редуктазы).

Биохимия нуклеиновых кислот

ДНК

  • Двойная спираль (B-форма); комплементарность A=T, G≡C.
  • Репликация — полуконсервативный механизм (ДНК-полимеразы, праймаза, лигаза).
  • Повреждения и репарация: эксцизионная, основание-эксцизионная, рекомбинационная.

РНК

  • Транскрипция — РНК-полимеразы (I, II, III).
  • Процессинг: кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг.
  • Трансляция — рибосомы, тРНК, мРНК; генетический код.
  • Регуляторные РНК: miRNA, siRNA, lncRNA.

Генетический код

  • Триплетность, вырожденность, универсальность (исключения — митохондрии).
  • Инициация — AUG (метионин); стоп-кодоны — UAA, UAG, UGA.

Биохимия мембран

Структура

  • Липидный бислой — фосфолипиды, сфинголипиды, холестерин.
  • Интегральные и периферические белки.
  • Жидкостно-мозаичная модель Сингера–Николсона.

Функции

  • Барьерная, транспортная, рецепторная, сигнальная.
  • Транспорт: пассивный (диффузия, каналы), активный (Na⁺/K⁺-АТФаза), вторично-активный (симпорт, антипорт).

Сигнальная трансдукция

Рецепторы

  • Тирозинкиназные рецепторы (инсулин, EGF).
  • G-белок-сопряжённые рецепторы (GPCR).
  • Ионотропные рецепторы.

Внутриклеточные каскады

  • cAMP/PKA; фосфатидилинозитол-3-киназа/Akt; MAPK/ERK.
  • Вторичные мессенджеры: cAMP, cGMP, Ca²⁺, IP₃, DAG.
  • Фосфорилирование транскрипционных факторов (STAT, CREB, NF-κB).

Биохимия иммунитета

  • Иммуноглобулины: структура (Fab, Fc), классы (IgG, IgM, IgA, IgE, IgD).
  • Комплемент: каскад протеаз, мембраноатакующий комплекс.
  • Цитокины: интерлейкины, интерфероны, хемокины.
  • Главный комплекс гистосовместимости (MHC I/II) — презентация антигенов.

Медицинская биохимия

Биомаркеры

  • Ферменты: АЛТ, АСТ, ЛДГ, КФК (повреждение тканей).
  • Метаболиты: глюкоза, креатинин, мочевина, билирубин.
  • Белки: тропонины, C-реактивный белок, HbA1c.
  • Липидный профиль: ЛПНП, ЛПВП, триглицериды.

Наследственные нарушения обмена

  • Фенилкетонурия (дефект фенилаланингидроксилазы).
  • Галактоземия (дефект галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы).
  • Болезнь Тея–Сакса (дефицит гексозаминидазы A).
  • Муковисцидоз (дефект CFTR).

Принципы ферментной терапии

  • Заместительная ферментотерапия (болезнь Гоше, Фабри).
  • Ингибиторы ферментов как лекарства (статины — ингибиторы HMG-CoA-редуктазы).

Методы биохимии

Аналитические методы

  • Спектрофотометрия, флуориметрия, люминометрия.
  • Хроматография: тонкослойная, газожидкостная, высокоэффективная жидкостная (ВЭЖХ).
  • Электрофорез: ПААГ, агарозный, капиллярный.
  • Масс-спектрометрия: MALDI-TOF, ESI-MS/MS.

Структурные методы

  • Рентгеновская кристаллография.
  • Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
  • Криоэлектронная микроскопия.

Молекулярно-биологические методы

  • ПЦР, секвенирование (Сэнгер, NGS).
  • Клонирование, экспрессия рекомбинантных белков.
  • CRISPR/Cas9 — редактирование генома.

Биоинформатика

  • Анализ последовательностей, структур, метаболических сетей.
  • Базы данных: UniProt, PDB, KEGG, PubMed.

Прикладная биохимия

Биотехнология

  • Производство ферментов, аминокислот, антибиотиков.
  • Генно-инженерные инсулин, гормон роста, факторы свёртывания.

Пищевая биохимия

  • Брожение, сыроделие, пивоварение, хлебопечение.
  • Пищевые добавки, антиоксиданты, консерванты.

Сельскохозяйственная биохимия

  • Метаболизм растений, фитогормоны, гербициды.
  • Биоудобрения, биопестициды.

Экологическая биохимия

  • Биоремедиация, биодеградация ксенобиотиков.
  • Биомониторинг загрязнений.

Перспективы

  • Системная биология и интегративные модели метаболизма.
  • Синтетическая биохимия — конструирование искусственных метаболических путей.
  • Персонализированная медицина на основе метаболомики и геномики.
  • Разработка новых ферментов с заданными свойствами (направленная эволюция).

Заключение

  • Биохимия — фундаментальная наука, интегрирующая химию, биологию, физику и медицину.
  • Понимание молекулярных механизмов жизни открывает пути к диагностике, лечению и профилактике заболеваний.
  • Дальнейшее развитие биохимии сопряжено с технологическими прорывами в аналитике, структурной биологии и вычислительной биологии.