Введение в биохимию

01Биохимия как наука о молекулярных основах жизни

Биологическая химия, или биохимия, — медико-биологическая наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, которые лежат в основе их жизнедеятельности. В учебной программе медицинского вуза ту же мысль разворачивают: нужно знать химическую природу и структуру веществ организма, пути их превращения, механизмы реакций между ними и связь этих превращений с работой тканей, органов и организма в целом. Оба определения описывают один предмет на разной глубине. Короткое годится для начала устного ответа. Развёрнутое не даёт забыть, что состав без превращения и превращение без функции — ещё не биохимия.

Предмет поэтому не сводится ни к списку молекул, ни к списку реакций. Молекула, которая ни во что не превращается, не объясняет жизнь. Реакция, у которой не сказано, в какой структуре и ради какой функции она идёт, остаётся упражнением по органической химии. Связка, которую держат с первого занятия, такая. Состав и строение задают, какие реакции возможны. Реакции складываются в обмен. Обмен обеспечивает функцию. Поломка любого звена может проявиться как болезнь, а лабораторный показатель — след одного из звеньев, а не самостоятельная сущность.

Чем биохимия не является

Органическая химия изучает строение и реакции органических соединений вообще, в том числе тех, которых в организме нет. Биохимия берёт из неё язык связей и функциональных групп, но оставляет то, что участвует в живой системе, и спрашивает, какую функцию это обеспечивает.

Физиология описывает функцию органа и системы: что делает почка, как проводится импульс, как сокращается мышца. Биохимия объясняет, какие молекулы и какие реакции делают эту функцию возможной. Фраза «печень обезвреживает» — физиологическая. Фраза «какие реакции и в каком компартменте гепатоцита это выполняют» — биохимическая. На введении достаточно границы. Частная биохимия органов — отдельный раздел курса, а не эта лекция.

Молекулярная биология выросла из биохимии и сосредоточена на информационных макромолекулах: как хранится, копируется и реализуется генетическая информация. Граница сегодня размыта, и слова часто стоят рядом. Для экзамена достаточно различия по центру тяжести. Молекулярная биология спрашивает прежде всего о нуклеиновых кислотах и выражении гена. Биохимия шире: она обязана объяснить ещё обмен веществ, превращение энергии и химический состав. Фермент, который синтезирует РНК, одновременно предмет обеих наук. Путь распада глюкозы — прежде всего предмет биохимии. Его схему введение не рисует.

Клиническая биохимия и лабораторная диагностика измеряют показатели у пациента. Медицинская биохимия объясняет, почему показатель меняется. Умение назвать цифру без механизма — не знание биохимии. Механизм без понимания, что его можно увидеть в анализе, — неполная подготовка врача. Введение задаёт эту связку, а не перечень анализов и не референсные интервалы.

Фармакология изучает, как лекарство меняет функцию. Биохимия описывает молекулу-мишень и реакцию, которую лекарство затрагивает. Списки препаратов, дозы и схемы лечения в эту тему не входят.

Зачем врачу молекулярный уровень

Врач видит орган, симптом и анализ. Болезнь при этом часто начинается ниже: изменилась структура белка, выпал фермент, накопился метаболит, сдвинулся ионный состав среды. Биохимия нужна не вместо патологической физиологии, а чтобы объяснение не останавливалось на фразе «нарушен обмен». На экзамене по введению ждут не схему заболевания, а умение показать, на каком химическом уровне вообще может сломаться живая система и почему следующий шаг курса — строение белков.

Как сложился сам предмет

История здесь не каталог имён. Она объясняет, что именно наука решила изучать.

Термин «биохимия» эпизодически встречался с середины XIX века. В классическом смысле его ввёл в научный оборот в 1903 году Карл Нейберг. Сам предмет старше термина. В 1827 году Уильям Праут разделил биологические молекулы на белки, жиры и углеводы. Деление до сих пор узнаваемо, но как современная карта состава оно неполно: в нём нет нуклеиновых кислот, а липиды не сводятся к жирам.

В 1828 году Фридрих Вёлер получил мочевину вне организма. Это был первый удар по представлению, что вещества живого принципиально нельзя получить химически. Витализм не исчез в один день, и так говорить не следует. Исчезло право объяснять состав организма особой «жизненной силой» там, где уже показана обычная химия.

В 1897 году Эдуард Бухнер показал, что сбраживание сахара идёт в бесклеточном дрожжевом экстракте. Химию жизни можно изучать не только в целом организме, но и в выделенной системе. На рубеже XIX и XX веков Эмиль Фишер сформулировал пептидную теорию строения белков. В 1926 году Джеймс Самнер получил кристаллическую уреазу и показал, что фермент может быть белком. Отсюда прямой ход к теме, которая идёт следом: если катализ — свойство белковой структуры, строение белка надо знать раньше, чем пути обмена. Позже выяснилось, что катализ не является исключительной собственностью белков. Это исключение разобрано ниже и не отменяет порядок курса.

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, опираясь на данные Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин, описали структуру ДНК. Так рядом с биохимией оформилась молекулярная биология. Гипотеза «один ген — один фермент» была важной исторической ступенью, но как современный закон она слишком груба: ген может кодировать полипептид, который сам по себе ещё не фермент, а один белок может собираться из нескольких цепей. На экзамене эту гипотезу не выдают за действующее правило.

Практический вывод для введения такой. Биохимия изучает жизнь как химию, которую можно выделить, измерить и связать со структурой. Она не отменяет клетку и организм, но не соглашается объяснять их без молекул.

02Разделы, направления и задачи

Курс биохимии большой, и его делят, чтобы не смешать три разных вопроса. Деление педагогическое. В клетке состав, обмен и функция идут одновременно. Студент, который выучил три названия и не может сказать, какой вопрос к какому разделу относится, тему не сдал.

Три классических раздела

Статическая биохимия изучает химический состав организма и строение основных классов соединений. Слово «статическая» не значит, что молекулы неподвижны и реакции остановлены. Оно значит, что вопрос поставлен о составе и структуре: какие элементы, какие молекулы, как они устроены, какими связями держатся. Ответ этого раздела — молекулярный портрет живой материи, а не схема пути.

Динамическая биохимия изучает метаболизм, то есть обмен веществ и энергии. Вопрос другой: откуда вещество пришло, через какие промежуточные продукты прошло, во что превратилось, где взялась или куда ушла энергия, как путь регулируется. Катаболизм и анаболизм, биологическое окисление и накопление энергии относятся сюда. Подробные пути — не введение, а следующие разделы курса. Во введении нужен сам принцип деления.

Функциональная биохимия связывает метаболизм с работой органов, тканей и субклеточных структур. Один и тот же метаболит в печени, мышце и нервной ткани не обязан иметь одну и ту же судьбу. Функция органа отбирает, какие пути в нём выражены. Поэтому биохимию крови, печени, мышцы и нервной ткани нельзя заменить общей схемой обмена. Эти главы идут позже. Введение только объясняет, почему они существуют.

Медицинская биохимия и другие направления

В медицинских программах к трём разделам добавляют биохимию патологических процессов: какие молекулярные поломки дают болезнь и как это видно в лаборатории. Это не четвёртый независимый мир. Это те же состав, обмен и функция, прочитанные в условиях повреждения.

Направления уже, чем разделы. Энзимология собирает химию и регуляцию ферментов. Биоэнергетика спрашивает, как клетка добывает и тратит энергию. Клиническая биохимия измеряет и толкует показатели у человека. Биохимия питания, витаминов и отдельных органов — учебные блоки, которые вырастают из трёх разделов, а не заменяют их. Раздел отвечает на тип вопроса. Направление собирает методы вокруг одной задачи. Эти слова не подменяют друг друга.

Задачи курса

Первая задача — описать качественный и количественный состав. Качественный отвечает «что есть». Количественный отвечает «сколько», но только с оговоркой ткани, возраста и метода. Введение учит не подменять одно другим и не заучивать одну долю тела.

Вторая — установить строение биомолекул и связь строения с функцией. Без неё состав остаётся списком.

Третья — разобрать пути превращения веществ и энергии и способы их регуляции. Регуляция существует на нескольких уровнях сразу: фермент, клетка, орган, организм. На введении это называют, а не разбирают по механизмам. Аллостерический центр и гормональный рецептор — не эта тема.

Четвёртая — связать химические превращения с физиологической функцией. Сокращение, проведение импульса, секреция и транспорт через мембрану имеют молекулярную цену. Какая именно — предмет функциональной биохимии.

Пятая, медицинская, — понять, как молекулярный дефект становится болезнью, и на чём основаны биохимические методы диагностики. Энзимодиагностика, накопление метаболита при блоке пути, сдвиг ионного состава — это типы логики, а не список нозологий. Лекарства и схемы лечения сюда не переносят.

Место в медицинском образовании

Биохимия стоит между химией и клиникой. Она опирается на биоорганическую химию и нужна патологической физиологии, фармакологии, микробиологии и клинико-диагностическим дисциплинам. Мировоззренческий итог введения простой. Живой организм — химическая система, но не мешок реактивов. Его химия упорядочена по уровням, открыта для обмена со средой и подчинена функции.

03Химические элементы организма

Живое построено из тех же элементов, что и неживая природа. Отличие не в особом «жизненном элементе», а в отборе, соотношении и способе связи. Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток и организмов, называют биогенными. Присутствие элемента в теле и его необходимость — разные утверждения. Их смешение — ошибка уже на введении.

Органогены и почему списки расходятся

В традиции медицинской химии органогенами называют элементы, которые образуют ковалентный скелет органических биомолекул: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу. Один учебный текст по химии биогенных элементов приводит для этих шести элементов долю, которая достигает 97,4 %. Это цифра одного источника для именно этого набора. Её нельзя заучивать как универсальную долю «всего живого».

Другие обзоры словом «органогенные» называют самые массовые элементы и собирают другую шестёрку: углерод, водород, кислород, азот, кальций и фосфор, с формулировкой «до 99 %». Кальций попадает туда из-за массы минерала кости, а не потому что он строит ковалентные цепи органических молекул. Сера, наоборот, нужна белкам и ряду коферментов, но по массе тела не спорит с кальцием кости. Две цифры не подтверждают друг друга и не усредняются.

Экзаменационно безопасный ответ — не процент, а критерий. Если спрашивают, кто строит органические молекулы ковалентными связями, называют углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу. Если спрашивают, кто даёт основную массу тела, отвечают, что источники расходятся, и не выдают одну цифру за закон. Часть школьных таблиц сужает органогены до углерода, водорода, кислорода и азота, а фосфор и серу относит только к макроэлементам. На медицинском введении сразу говорят, по какому признаку составлен список.

Отбор этих элементов не случаен и объясняется свойствами связей. Углерод четырёхвалентен. Он образует прочные и при этом химически доступные связи углерод–углерод, одинарные и кратные, цепи и циклы. Водород и кислород таких цепей не строят, но определяют взаимодействие молекулы с водой и участвуют в окислительно-восстановительных превращениях. Азот, фосфор и сера, как и углерод, способны давать связи, которые живая система может и образовать, и разорвать. Фосфор дополнительно входит в нуклеиновые кислоты, АТФ и фосфолипиды. Сера входит в цистеин, метионин и ряд коферментов. Подробный обмен этих аминокислот — не эта тема.

Две оси классификации

Первая ось — содержание, то есть сколько элемента нашли. В классификации В. И. Вернадского, как её приводит учебный текст по химии биогенных элементов, макроэлементы — те, чьё содержание выше 10⁻² %. Туда попадают шесть органогенов и ещё кальций, магний, натрий и хлор. Микроэлементы лежат в широком интервале от 10⁻² до 10⁻¹² %. Ультрамикроэлементы — ниже 10⁻¹² %. Пороги — учебная рамка этой классификации, а не биологический закон, одинаковый на всех кафедрах. Другие пособия режут «макро» и «микро» иначе. На экзамене порог называют только вместе с именем классификации.

В примерах микроэлементов того же текста по массе стоят и элементы, которые врач не считает типичными незаменимыми микронутриентами. Мышьяк, стронций или барий могут быть микроэлементами по содержанию и при этом не входить в обязательный медицинский набор. Путать ось массы с осью пользы нельзя.

Вторая ось — биологическая роль. В. В. Ковальский делил элементы на незаменимые, примесные и микропримесные. Незаменимый элемент постоянно входит в состав соединений организма, и его дефицит нарушает жизнедеятельность. В этом списке водород, кислород, кальций, азот, калий, фосфор, натрий, сера, магний, хлор, углерод, йод, марганец, медь, кобальт, цинк, железо, молибден, ванадий и селен. Примесные элементы находят постоянно, но роль не всегда ясна. Микропримесные найдены, но ни содержание, ни роль надёжно не установлены.

Отсюда следствия, без которых таблицу лучше не открывать. Железо по функции незаменимо, а по массе в вернадской макрогруппе того учебного текста не числится: его часто относят к микроэлементам. Малая массовая доля не означает малую значимость. Ванадий есть в списке незаменимых у Ковальского, но его обязательность для человека не так однозначна, как обязательность железа, цинка, меди, йода или селена. Граница незаменимости пересматривается, когда появляется новая роль. Старая пометка «примесь» не доказывает, что роли нет. Новая публикация об одном элементе не обязывает расширять экзаменационный список.

Для введения достаточно устойчивого медицинского ядра, а не спорного хвоста. Макроэлементы среды и скелета — натрий, калий, кальций, магний, хлор, плюс фосфор и сера как органогены. Микроэлементы с ясной биохимической должностью — железо, цинк, медь, йод, селен, марганец, молибден и кобальт в составе кобаламина. Остальные называют, только если вопрос прямо о классификации и с указанием источника.

Тот же учебный текст говорит, что в организме постоянно присутствуют не менее пятидесяти элементов. Это утверждение о находке, не о незаменимости. Элемент может попасть в тело с пищей, водой и воздухом и не выполнять функции. Сколько именно элементов считать стабильными или природными, источники формулируют по-разному, и это число для экзамена не нужно.

Что из этого следует для курса

Элемент сам по себе почти никогда не есть функция. Функция появляется, когда элемент входит в ион, кофактор, простетическую группу или органическую молекулу. Железо в геме и железо как случайная примесь — не одна биохимическая сущность. Поэтому элементный состав — первый уровень организации, а не последний ответ. Следующий вопрос введения: в какие вещества эти элементы собраны.

04Вода и минеральные ионы

Неорганическая часть организма — не пустая среда вокруг органики. Вода и ионы задают условия, в которых органические молекулы держат форму и встречаются друг с другом. Без этого перехода к белкам состав остаётся списком элементов.

Почему не заучивают одну долю воды

Вода — главная по массе молекула живых клеток и основная среда реакций. Её доля не является константой человека. Она зависит от ткани, возраста, пола, содержания жира и от того, считают ли массу тела, массу клетки или сухой остаток. Кость и жировая ткань бедны водой относительно крови и многих паренхиматозных органов. Поэтому фразу «вода всегда составляет столько-то процентов тела» на этом введении не используют. Если преподаватель приводит цифру своего учебника, её повторяют как ориентир этого учебника, а не как закон природы. Выдуманная «средняя» цифра хуже честного отказа.

Учебно полезнее деление по состоянию, тоже без процентов. Свободная вода — растворитель, в котором движутся ионы и метаболиты. Связанная вода входит в гидратные оболочки ионов и макромолекул и менее свободна как растворитель. Это не два разных химических вещества, а два состояния одной воды. Граница между ними не резкая. Для экзамена важно следствие: не вся вода тела одинаково доступна для реакций и для осмоса.

Вода образуется и при окислении питательных веществ. Такую воду называют метаболической. Это не отдельный запас, который можно оторвать от обмена, и не повод обсуждать водный баланс почек. Водно-солевой обмен — поздняя тема курса.

Свойства, которые биохимия использует

Молекула воды полярна и образует водородные связи. Поэтому она растворяет ионы и полярные молекулы и плохо растворяет неполярные. Из этого следует гидрофобный эффект: неполярные участки молекул в воде стремятся уйти от контакта с ней и собраться вместе. Так собирается липидный бислой мембраны. Так же, среди других сил, укладывается полипептидная цепь в компактную структуру белка. Подробности укладки — следующая тема. Здесь нужен причинно-следственный мост. Водная среда не пассивно окружает белок, а участвует в том, почему белок имеет форму.

Вода — участник реакций, а не только растворитель. Когда мономеры соединяются в полимер, вода обычно выделяется. Это конденсация. Когда полимер расщепляется, вода расходуется. Это гидролиз. Пептидная связь белка, гликозидная связь углевода и сложноэфирные связи многих липидов — частные случаи этой логики. Поэтому водный обмен и обмен полимеров нельзя развести по разным наукам.

Вода слабо диссоциирует и является средой кислотно-основных реакций. Буферные системы удерживают pH, при котором белки сохраняют заряд и активность. Сами буферы крови и почечная регуляция pH в введение не входят. Входит принцип: ионная среда меняет свойства белков, значит состав среды — часть объяснения функции белка.

Высокая теплоёмкость и высокая теплота испарения позволяют воде сглаживать колебания температуры. Это физическое свойство имеет биологический смысл. Числовые значения теплоёмкости для экзамена по введению не нужны.

Ионы: среда, минерал и кофакторы

Минеральные ионы не выполняют одну функцию на всех. Их группируют по типу работы.

Натрий и калий создают осмотическую разницу и вместе с другими ионами — основу мембранного потенциала. Калий — преимущественно внутриклеточный катион, натрий — основной катион внеклеточной жидкости. Это качественное распределение, а не таблица концентраций. Конкретные миллимоли относятся к водно-солевому обмену.

Кальций вместе с фосфатом минерализует кость и зуб. Тот же кальций в очень малых свободных количествах работает как сигнал. Сводить кальций только к кости или только к сигналу нельзя. Магний — частый кофактор ферментов и участник комплексов с АТФ. Хлор — главный неорганический анион внеклеточной жидкости и участник осмоса.

Фосфат одновременно ион среды, буфер, часть кости, часть нуклеиновых кислот, АТФ и фосфолипидов. Поэтому фосфор и «фосфат в плазме» — не синонимы. Сера в организме находится главным образом в органических соединениях, а не в виде свободного сульфата как основной формы.

Микроэлементы с ясной ролью обычно работают не сами по себе, а внутри белка: железо в геме и железосерных центрах, цинк и медь в активных центрах ферментов, йод в тиреоидных гормонах, селен в ряде ферментов, кобальт в кобаламине, марганец и молибден как кофакторы отдельных реакций. Отсюда прямой выход к белкам. Микроэлементный список без белка, в который элемент встроен, биохимически пуст. Обмен железа и микроэлементов как клиническая тема идёт позже.

Незаменимая медь в избытке вредна. Найденный в теле свинец не становится биогенным элементом от одного факта находки. Введение фиксирует принцип, а не клинику отравлений.

05Органические биомолекулы

Органическая часть организма — не четыре одинаковых полимера. Есть классы, построенные как цепи из стандартных мономеров. Есть класс, который объединён не мономером, а гидрофобностью. Есть низкомолекулярные молекулы, без которых полимеры не работают. И есть гибриды, в которых классы соединены.

Что считать биополимером

Белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды — биополимеры. Их цепи собираются из мономеров конденсацией и разбираются гидролизом. Мономер белка — аминокислота, связь — пептидная. Мономер нуклеиновой кислоты — нуклеотид, остов держится фосфодиэфирными связями. Мономер полисахарида — моносахарид, связь гликозидная. В классическом описании белки строят из набора 20 аминокислот. Состав набора, свойства радикалов и геометрия пептидной связи — следующая тема, не эта. На введении число нужно только как ориентир стандартного набора, а не как повод перечислять радикалы.

Липиды в этот ряд как один полимер не встают. Это физико-химический класс преимущественно гидрофобных молекул. Триацилглицерол построен из глицерина и жирных кислот. Фосфолипид мембраны устроен иначе и имеет полярную голову. Холестерол — стероид, а не полимер глицерина. Сфинголипиды — ещё одна семья. Общее у них поведение в воде, а не один мономер. Фраза «четыре биополимера: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты» неверна именно в слове «биополимеры» применительно к жирам.

Низкомолекулярные органические вещества не образуют отдельного полимерного класса, но без них динамическая биохимия пуста. Это свободные аминокислоты и моносахариды, нуклеотиды, промежуточные метаболиты, витамины и их коферментные формы, некоторые гормоны. АТФ — нуклеотид и одновременно главный переносчик энергии между путями. Называть АТФ отдельным классом биомолекул не нужно.

Гормоны — не химический класс. Среди них есть пептиды и белки, производные аминокислот и стероиды. Витамины — тоже не один структурный тип. Для человека это незаменимые факторы пищи с разными функциями, чаще коферментными. Их химия — отдельный раздел.

Сравнение классов

Сравнение нужно, чтобы устный ответ не рассыпался в четыре определения.

Роли в таблице — ориентир, не запрет. Углевод может быть структурным, белок при распаде может стать топливом, липид — предшественником сигнальной молекулы. На экзамене говорят «характерно» и «одна из главных ролей», а не «только».

Гибриды показывают, что классы в клетке не лежат отдельными кучами. Гликопротеин несёт углеводные цепи на белке. Протеогликан — белок с большой углеводной частью. Липопротеин — транспортный комплекс липидов и белков, а не жир, который назвали белком. Их строение разбирают в соответствующих темах. Здесь важно не записать гибрид ещё одним независимым полимером.

Информационные и рабочие молекулы

Нуклеиновые кислоты хранят и передают информацию. Белки в основном эту информацию исполняют: катализ, опора, транспорт, узнавание, движение, защита. Поток информации в обычном случае идёт от нуклеиновой кислоты к белку. Обратная транскрипция — известное исключение на участке от РНК к ДНК. Его не отрицают и не превращают в отмену обычного потока.

Катализ — отдельный вопрос, его с информационным потоком не склеивают. До открытия каталитических свойств РНК все ферменты считали белками. Нобелевская премия по химии 1989 года присуждена Сидни Альтману и Томасу Чеку именно за то, что РНК может быть биокатализатором. Такие РНК называют рибозимами. Для введения вывод узкий. Большинство биологических катализаторов — белки, поэтому курс начинает с них. Фраза «все ферменты — белки» ложна. Рибозимы не отменяют центральный путь информации от нуклеиновой кислоты к белку. Они отменяют абсолют «вся химическая работа клетки принадлежит только белкам».

Видовая и тканевая специфичность состава тоже задаётся здесь. Два организма могут использовать одни и те же классы молекул и различаться последовательностью белков и нуклеиновых кислот. Это ещё один мост к следующей теме: порядок аминокислотных остатков — уровень, на котором химический состав становится индивидуальным. Сам этот порядок введение не разбирает.

06Уровни структурной организации

Уровень организации выделяют не для красоты схемы, а потому что на нём появляется свойство, которого нет у частей. Универсального списка на все науки нет. Школьная и общая биология чаще называет восемь уровней: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный. Медицинская биохимия живёт на нижних ступенях этой лестницы и вынуждена расщепить молекулярный уровень, иначе химический состав и белки слипнутся в одну строку. Популяцию и биосферу курс не изучает. Их упоминают только чтобы не назвать организм высшим уровнем жизни вообще.

У одноклеточного организма клеточный и организменный уровни совпадают. У человека между клеткой и организмом стоят ткань, орган и система органов. Это не противоречие классификаций, а разный объект.

От элемента к макромолекуле

Элементный уровень — атомы биогенных элементов. Свойство этого уровня — способность образовывать определённые связи. Жизни здесь ещё нет.

Молекулярный уровень низкомолекулярных соединений — вода, ионы, метаболиты и мономеры: аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды, жирные кислоты. Появляется химическая индивидуальность. Глюкоза и рибоза — уже не «просто углерод».

Макромолекулярный уровень — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Новое свойство — последовательность и форма длинной цепи. Цепь может хранить информацию или создавать активную поверхность. Отдельная аминокислота этого не делает. Липиды участвуют в следующем уровне чаще как ансамбль, а не как одна полимерная цепь.

Внутри макромолекулы белка есть собственная лестница: первичная, вторичная, третичная и у части белков четвертичная структура. Это не уровни организации жизни. Это уровни организации одной молекулы. Их путают постоянно, потому что оба списка называют уровнями структурной организации. На введении их только различают. Первичная структура — порядок аминокислотных остатков. Вторичная — локальная регулярная укладка участков цепи. Третичная — пространственная форма одной цепи. Четвертичная — сборка нескольких цепей. Чем эти уровни стабилизируются и как их устанавливают, рассказывает следующая тема. Спрашивать на введении геометрию спирали не должны. Спрашивать, не подменили ли уровни жизни уровнями белка, могут.

Надмолекулярный и субклеточный уровень

Надмолекулярный уровень — комплексы макромолекул: рибосома, мультиферментный ансамбль, липидный бислой с белками, хроматин. Новое свойство — совместная функция, которой нет у одной цепи. Рибосома не сводится к одному белку и к одной РНК.

Субклеточный уровень — органеллы и компартменты: ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, цитоскелет, плазматическая мембрана. Новое свойство — компартментализация. Реакции разведены в пространстве, поэтому синтез и распад, кислая гидролаза и белки цитозоля не обязаны мешать друг другу. Окислительное фосфорилирование привязано к внутренней мембране митохондрии не потому, что так принято в таблице, а потому что на этом уровне энергия окисления может быть превращена в градиент. Механизм этого превращения — биоэнергетика, не введение. Факт локализации — уже введение: уровень определяет, где процесс вообще возможен.

Компартмент держится не только ковалентными связями. Мембрану собирают гидрофобный эффект, водородные связи и ионные взаимодействия. Поэтому вода и ионы из предыдущего раздела — условие этого уровня, а не соседняя глава для полноты.

Клетка, ткань, орган, организм

Клетка — элементарная структурная и функциональная единица клеточных организмов. На этом уровне обмен, энергия и информация собраны в саморегулирующуюся систему, способную поддерживать себя и делиться. Отдельная макромолекула, даже очень сложная, этого не делает. Вирусы используют те же классы молекул, но не являются клетками. Для введения это граница, а не вирусология: молекулярный уровень у вируса есть, клеточного уровня хозяина он не заменяет.

Ткань — совокупность клеток и межклеточного матрикса со сходной специализацией. Новое свойство — разделение труда. Мышечная, нервная, эпителиальная и соединительная ткани имеют разный химический акцент, хотя классы молекул общие. Орган собирает ткани в структуру с собственной функцией и собственным метаболическим профилем. Печень, мозг и мышца не взаимозаменяемы по набору путей. Система органов координирует несколько органов. Организм интегрирует обмен нервными, гормональными и местными сигналами и поддерживает внутреннюю среду.

Связь уровней причинная, а не декоративная. Изменение последовательности нуклеиновой кислоты может изменить белок. Изменённый белок может изменить форму клетки. Изменённая клетка меняет функцию ткани и клиническую картину организма. Классический пример логики, без разбора структуры гемоглобина: при серповидноклеточной анемии замена одной аминокислоты в гемоглобине меняет свойства белка, форму эритроцита и картину болезни. Номер остатка и детали укладки относятся к темам белка и крови. Здесь пример нужен, чтобы показать, что уровни — цепь последствий, а не список для заучивания. Номер сознательно не приводится: системы нумерации этого остатка в учебниках и в современных записях последовательности не совпадают.

Популяционный и биосферный уровни этой цепи не отменяют, но в курс медицинской биохимии не входят. Ответ, который уходит в экосистему, минуя молекулу, по этой теме не засчитывают.

07Обмен веществ связывает уровни

Состав и уровни описывают, из чего система собрана. Жизнь этим не исчерпывается. Живая система обязана непрерывно превращать вещества, иначе упорядоченность не поддерживается. Этот раздел — динамическая биохимия в одном принципе, без схем путей.

Открытая система и стационарное состояние

Организм — открытая система. Он получает из среды питательные вещества, воду, кислород и соли и отдаёт тепло, углекислый газ, воду и конечные продукты обмена. Закрытая банка с тем же химическим составом живой системой не становится.

Внутри открытой системы концентрации многих веществ относительно постоянны. Это стационарное состояние, а не термодинамическое равновесие. При равновесии суммарные потоки остановились, и система пришла к наиболее вероятному для данных условий беспорядку. В стационарном состоянии вещество приходит и уходит, а уровень держится, потому что скорости притока и оттока согласованы. Если обмен со средой прекратить, стационарное состояние не сохранится: система пойдёт к равновесию, и организованные структуры перестанут поддерживаться. Поэтому постоянный состав крови не означает, что реакции остановились. Это прямое следствие определения, и его часто переворачивают.

Энергия не создаётся из ничего. Клетка преобразует энергию питательных веществ в формы, которыми можно оплатить работу: синтез, транспорт, движение, поддержание градиентов. У других организмов источником может быть свет; для человека на этом введении достаточно химической энергии пищи. Универсальный посредник такой оплаты в клеточном обмене — АТФ. Числовое значение энергии её гидролиза на введении не требуется. Оно зависит от условий и не является одной константой организма, поэтому его не заучивают.

Катаболизм и анаболизм

Катаболизм — распад сложных молекул до более простых. Он часто окислительный и высвобождает энергию. Часть энергии рассеивается теплом, часть сохраняется в АТФ и в восстановленных кофакторах.

Анаболизм — синтез сложных молекул из более простых. Он потребляет энергию и часто использует восстановительные эквиваленты. Это не обратный катаболизм в буквальном смысле. Пути сборки и разборки обычно не являются простой прокруткой одних и тех же реакций вспять, иначе клетка не смогла бы регулировать их по отдельности. Общую идею введение обязано назвать. Конкретные обходы — в главах обмена.

Сопряжение идёт через общие посредники. АТФ переносит энергию от реакций, которые её высвобождают, к реакциям, которые её требуют. Восстановленные кофакторы переносят электроны. Уже на введении их не склеивают в одно слово «энергия». NADH в основном связан с окислительными путями, NADPH — с восстановительными синтезами. Почему так устроены ферменты, расскажет динамическая биохимия. Здесь достаточно не назвать любой восстановленный кофактор универсальным топливом.

Часть путей амфиболична: их промежуточные продукты служат и распаду, и синтезу. Цикл трикарбоновых кислот — классический пример, но его реакции в эту тему не входят. Пример нужен, чтобы не делить всю химию клетки на две непересекающиеся колонки.

Катаболизм и анаболизм идут в одном организме одновременно. В разных тканях и в разное время преобладает разное. После еды и при голодании соотношение не одно. Поэтому «организм либо строит, либо разрушает» — ложная альтернатива.

Регуляция как свойство обмена

Если бы все возможные реакции шли с максимальной скоростью, запас и энергия сгорали бы в бесполезных циклах. Регуляция не позволяет этому случиться. Она есть на нескольких уровнях той же иерархии. Отдельный фермент меняет активность. Клетка меняет набор ферментов и доступ субстрата. Орган меняет профиль путей. Организм согласует органы сигналами. Введение не разбирает аллостерический центр и гормональный рецептор. Оно фиксирует, что метаболизм без регуляции — не описание живой системы, а список реакций пробирки.

Компартментализация из предыдущего раздела — тоже часть регуляции. Реакция, запертая в лизосоме или на внутренней митохондриальной мембране, не конкурирует со всем цитозолем сразу. Пространство здесь работает как механизм, а не как анатомическая декорация.

08Как биохимия исследует уровни

Предмет науки виден и по тому, что она считает допустимым объектом. Биохимия не обязана каждый раз смотреть на целого человека. Она спускается по лестнице организации и на каждой ступени платит одну и ту же цену: механизм становится яснее, а связь с целостной функцией слабее. Экзаменационный смысл этого раздела не в инструкции к прибору, а в умении сказать, на каком уровне получен вывод.

Лестница объектов

На целом организме наблюдают следствие: удаление органа, смена пищи, введение вещества, естественная болезнь, прижизненные методы вроде спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Вывод относится к системе, но молекулу, которая всё решила, часто ещё не видно.

Перфузия изолированного органа сохраняет архитектуру органа и убирает влияние остальных систем. Срез ткани сохраняет клетки и часть межклеточных связей, но уже не орган. Целая клетка сохраняет компартменты и регуляцию, но не тканевую архитектуру. Гомогенат разрушает клетки. Ферменты и субстраты, которые в жизни были разведены, встречаются. Реакция в гомогенате доказывает, что катализатор и субстрат могут взаимодействовать. Она не доказывает, что в целой клетке они встречаются с той же скоростью и в том же месте.

Выделенная органелла возвращает часть пространственной организации. Субфракционирование разбирает уже органеллу. Очищенные метаболит и фермент позволяют изучить реакцию и структуру. Клонирование гена, кодирующего белок, связывает информационную молекулу с выделенным белком. Это концы одной логики, а не замена биохимии молекулярной биологией.

Цена каждой ступени одна. Чем ниже объект, тем чище механизм и тем меньше право переносить скорость, направление и регуляцию на целый орган. Бесклеточный экстракт Бухнера доказал, что брожение может идти без целой клетки. Он не доказал, что в живых дрожжах нет дополнительных способов регуляции. Этот урок 1897 года до сих пор является правилом чтения любого метода.

Что делают методы

Общий приём — фракционирование. Сложную смесь разделяют, изучают части, а затем проверяют, как части работают вместе. Центрифугирование разделяет по размеру и плотности и поэтому ведёт от гомогената к органеллам. Хроматография разделяет молекулы по различию взаимодействия с фазами. Электрофорез разделяет заряженные молекулы в поле. Структурные методы, включая рентгеноструктурный анализ, отвечают на вопрос о форме очищенной молекулы. Спектрофотометрия измеряет вещество по поглощению света и поэтому стоит в основе многих лабораторных работ. Принцип метода — измерение, а не объяснение жизни.

Ни один метод не заменяет вопрос уровня. Кристаллическая структура фермента не говорит, в каком органе он работает. Активность фермента в сыворотке не говорит, из какой органеллы он вышел, пока это не сопоставлено с тканевым происхождением. Студент, который на введении выучил названия приборов без этой оговорки, к клинической биохимии придёт с ложной уверенностью.

Практический навык первого занятия — пипетка, фотометр, единицы измерения — обслуживает ту же мысль. Результат анализа есть число только потому, что выбран объект, отделены мешающие вещества и сигнал сопоставлен с количеством. Число без уровня и без метода — не биохимический факт.

09Почему введение ведёт к белкам

Курс после этой темы переходит к составу, свойствам и функциям белков, а затем к их структурной организации. Это не традиция кафедры. Это следствие всего, что введение уже установило.

Белки стоят на пересечении уровней

На элементном уровне в белках сходятся углерод, водород, кислород, азот и сера, а у части белков ещё фосфор, металл или другой кофактор. На молекулярном уровне белок — полимер аминокислот. На надмолекулярном он входит в комплексы с липидами, углеводами, нуклеиновыми кислотами и ионами. На клеточном он исполняет большую часть работы: катализ, опору, транспорт, узнавание сигнала, движение, защиту. Нуклеиновая кислота объясняет, какой белок будет построен. Она не заменяет сам белок в активном центре фермента.

Водная среда и ионы из введения — условия, в которых цепь приобретает форму. Гидрофобный эффект, водородные связи и ионные взаимодействия, которые собирают мембрану, собирают и белковую глобулу. Поэтому тему воды не закрывают перед белками. Её используют.

Функции белков разнообразнее, чем функции остальных биополимеров. На введении их называют, чтобы был виден масштаб, и не расписывают по представителям. Каталитическая функция делает обмен возможным: без ферментов реакции клетки шли бы слишком медленно для жизни. Структурная держит форму клеток и матрикса. Транспортная переносит вещества и через мембрану, и по крови. Регуляторная и рецепторная передают сигнал. Сократительная двигает. Защитная узнаёт чужое. Запасная встречается, но не является главным оправданием класса. Один белок может совмещать роли. Полная классификация по форме, составу и функциям, цветные реакции, биологически активные пептиды и физико-химические свойства — содержание следующей лекции. Повторять их здесь значило бы подменить введение лекцией о белках.

Принцип, который следующая тема обязана доказать

Принцип курса: строение определяет свойства, свойства определяют функцию. Для белка он особенно жёсток, потому что порядок остатков задаёт, какие группы окажутся на поверхности, в активном центре или внутри глобулы. Замена одного остатка может изменить свойство всей молекулы и подняться по уровням до клетки и организма. Это уже было показано на логике серповидноклеточной анемии. Следующая тема объяснит, какие уровни структуры белка за это отвечают. Введение только запрещает думать, что «белок» — одно слово без внутреннего устройства.

Большинство ферментов — белки, и обмен, который составляет динамическую биохимию, катализируют они. Начинать курс со схем гликолиза, не зная, что такое белковый катализатор, значит учить стрелки без механизма. Есть исключения. Рибозимы катализируют, не будучи белками. Многим ферментам нужен небелковый кофактор, и без него белковая часть не работает. Исключение не отменяет порядок курса. Оно запрещает абсолют.

Что уже сказано и чего ещё нет

Уже сказано. Белки — полимеры аминокислот. В классическом описании стандартный набор включает 20 аминокислот. Мономеры соединяет пептидная связь, образующаяся по логике конденсации. У белка есть собственные уровни структуры, и их не путают с уровнями жизни. Функции широки, а катализ — причина, по которой белки открывают обмен.

Ещё не сказано и не должно быть сказано вместо следующей темы: классификация аминокислот по радикалу, кислотно-основные свойства, изоэлектрическая точка, цветные реакции, простые и сложные белки, типы вторичной структуры, связи третичной структуры, кооперативность четвертичной, денатурация, методы очистки. Если вопрос преподавателя уходит туда, честный ответ введения такой: это следующий раздел; из введения следует только, почему без него нельзя обойтись.

Информационная сторона того же перехода: последовательность нуклеиновой кислоты задаёт последовательность белка, а последовательность белка задаёт возможность функции. Реализация информации, транскрипция и трансляция — отдельная тема. Введение не рисует рибосому по стадиям. Оно объясняет, почему белок, а не сразу гены, стоит первым в разделе о строении.

10Медицинский смысл введения

Врачу введение нужно как способ читать болезнь и анализ, а не как предисловие, которое можно пропустить. Молекулярная логика здесь общая. Нозологии и лечение — нет.

Три способа сломаться

Поломка может затронуть состав. Не хватает незаменимого элемента или витамина, сдвинуто соотношение воды и ионов, в среду попало вещество, которого в обмене быть не должно. Следствие зависит от того, в какую молекулу элемент был встроен и какой уровень повреждён. Дефицит железа и дефицит йода не являются «просто нехваткой микроэлемента». Один мешает построению гемсодержащих белков, другой — йодсодержащих гормонов. Подробности относятся к обмену и эндокринологии. Тип рассуждения — уже здесь.

Поломка может затронуть структуру. Изменена последовательность белка или нуклеиновой кислоты, нарушена сборка комплекса, повреждена мембрана. Функция падает не потому, что орган устал, а потому что молекула больше не держит форму или не узнаёт партнёра. Серповидноклеточная анемия — образец этой логики, не повод разбирать гемоглобин.

Поломка может затронуть обмен. Фермент отсутствует или не регулируется, путь блокирован, метаболит накапливается до вредного уровня либо не образуется продукт. Так устроены наследственные энзимопатии как класс. Имена болезней и дефицитные ферменты относятся к частным разделам. На введении достаточно механизма: блок ступени ведёт к накоплению предшественника и недостатку продукта, а повреждается тот уровень, где этот продукт был нужен.

Одна болезнь часто собирает все три способа. Воспаление меняет белки плазмы, ионную среду и энергетический обмен ткани. Сводить его к одной причине нельзя. Введение как раз учит не выбирать одну причину там, где работают состав, структура и обмен вместе.

Как читать лабораторный факт

Биохимический показатель — следствие выбранного объекта и метода. Активность фермента в плазме может вырасти, потому что повреждённая ткань перестала удерживать внутриклеточный белок. Это логика энзимодиагностики. Она не означает, что фермент выработался для анализа, и не означает, что любая высокая активность — одна и та же болезнь. Органная специфичность ферментов — тема энзимологии.

Концентрация метаболита может вырасти, потому что вырос приток, упал отток или изменился объём воды, в котором метаболит растворён. Без этих трёх возможностей цифру не интерпретируют. Поэтому клиническая биохимия стоит на введении, а не вместо него.

Единицы измерения и способ отделения мешающих веществ меняют число. Осаждение белков, чтобы измерить небелковый азот, — не удаление жизни из пробы, а выбор уровня. Белковый азот и небелковый отвечают на разные вопросы. Гомогенат и сыворотка — разные объекты. Переносить вывод с одного на другой без оговорки нельзя.

Граница темы

Из введения врач уносит не алгоритм лечения, а карту. Состав задаёт, что может сломаться. Уровни задают, где это проявится. Обмен задаёт, почему постоянство среды не есть покой. Белки — первый класс, на котором карту можно наполнить структурой и функцией. Всё, что требует дозы, препарата, дифференциального диагноза или полной схемы пути, в этот ответ не входит. Если такой вопрос задан, его возвращают в соседнюю дисциплину или в следующий раздел биохимии и не заполняют вымыслом.

11На экзамене

12Частая ошибка