Учебно-методический комплекс «Физиологическая химия»

Кислород как конечный акцептор в цепи переноса электронов. Механизмы переноса и депонирования кислорода. Миоглобин, гемоглобины человека (гемоглобины взрослого человека, гемоглобины, синтезирующиеся в период внутриутробного развития плода). Окси- и дезоксигемоглобины. Строение гемоглобина. Гем − простетическая группа миоглобина и гемоглобинов. Ферро- и ферригем. Гемин. Окисление гема в присутствии воды. Структура отдельных субъединиц гемоглобинов. Вторичная и четвертичная структуры гемоглобина. Солевые связи в структуре дезоксигемоглобина. Участок связывания кислорода и роль остатков гистидина в функционировании белка. Механизм кооперативного связывания молекул кислорода с субъединицами гемоглобина; напряженное (Т) и релаксированное (R) состояния гемоглобина, характеризующиеся низким и высоким сродством к кислороду. Влияние на сродство гемоглобина к кислороду углекислого газа, кислой среды и 2,3 дифосфоглицерата. Особенности строения и функционирования гемоглобина плода. Роль 2,3 дифосфоглицерата в адаптации организма к высоте и к гипоксии. Эффект Бора.

Механизмы переноса углекислого газа от тканей к легким. Транспорт углекислого газа гемоглобином в виде карбамата и в виде бикарбоната. Карбоангидраза.

Аномальные гемоглобины. Наследственные нарушения первичной структуры и функций гемоглобина А. Серповидно-клеточная анемия.

Механизм действия интерферонов. Взаимодействие с рецептором клетки, димеризация рецепторов, активация тирозинкиназы (JAK-киназы), фосфорилирование рецептора, связывание с SH2-доменом фосфорилированного рецептора STAT-белков, их фосфорилирование JAK-киназами, образование димера фосфорилированных STAT-белков, проникновение в ядро, взаимодействие с элементами ДНК (ISRE, GAS), ответственными за связывание комплекса STAT-белков, образование активного фактора транскрипции, инициация транскрипции ISRE-элементов ДНК.

Рецепторы интерферона I и II типов. Структура и функции Янус-киназ (JAK): киназный и псевдокиназный домены. SH2-(тирозинсвязывающие) домены. Структура и функции STAT-белков.

Продукты интерферон-индуцируемых генов, подавляющие репродукцию вирусов. Индукция интерфероном синтеза 2’,5’-олигоаде-нилатсинтетазы, РНК-азы L, дцРНК-зависимой протеинкиназы (PKR), РНК-зависимой дезаминазы (ADAR), белков Мх. Изоформы 2’,5’-олигоаденилатсинтетазы и их функции. Активация с помощью 2’,5’-олигоаденилата РНКазы L. Структура и механизм действия РНКазы L. Анкириновые повторы – универсальный белковый модуль для взаимодействия белок-белок или белок-нуклеиновая кислота. Протеинкиназа R: ингибирование киназного домена регуляторным доменом в отсутствие нуклеиновой кислоты, активация фермента связыванием с регуляторным доменом двуцепочечной РНК или белка-активатора РАСТ и последующим специфичным аутофосфорилированием димера PKR, связывание фосфорилированным димером PKR фактора инициации трансляции еIF2 (многосубъединичного G-белка) и фосфорилирование его α-субъединицы, ингибирование фосфорилированным еIF2α фактора обмена гуаниновых нуклеотидов (eIF2В), остановка синтеза белка в зараженной клетке. Структура и механизм действия РНК-зависимой дезаминазы (ADAR). Остановка транскрипции вирусной РНК из-за связывания белков Мх с вирусной РНК-полимеразой. Структура и механизм функционирования индуцибельной NO-синтазы: синтез цитотоксических концентраций NO. Антигены главного комплекса гистосовместимости.

Индукция систем метаболизма ксенобиотиков. Три фазы метаболизма ксенобиотиков. Первая стадия обезвреживания чужеродных соединений ─ создание или высвобождение функциональной группы. Микросомальное окисление ксенобиотиков. Достоинства этой системы. Реакции создания функциональных групп: гидроксилирование, окисление по атомам серы и азота, эпоксидирование, окислительное деалкилирование, окислительное дезаминирование, окислительное дегалогенирование, восстановление нитро- и азосоединений, десульфирование. Микросомальные ферментные системы: цитохром Р450, флавинсодержащие монооксигеназы, альдегиддегидрогеназа. Цитохром Р-450, его изоформы. Гидроксилирование чужеродных соединений в комплексе NADPH−цитохром P₄₅₀ редуктаза−цитохром Р₄₅₀ и NADPH−цитохром b₅− цитохром P₄₅₀. Низкоспиновое и высокоспиновое состояния ферри-формы гема. Механизм реакции окисления с помощью цитохрома Р450. Каталитический цикл флавинсодержащих монооксигеназ (ФМО). Субстратная специфичность ФМО. Цитозольная алкогольдегидрогеназа. Микросомальная и цитозольная альдегиддегидрогеназы. Механизм действия пероксидаз. Каталитический цикл моноаминооксидаз. Ксантиноксидаза. Недостатки ферментных систем первой фазы биотрансформации ксенобиотиков.

Вторая стадия обезвреживания ксенобиотиков ─ реакции конъюгации чужеродных соединений с глюкуроновой кислотой, глицином, сульфатом, глутатионом, цистеином и др. Участие трансфераз в реакциях конъюгации. UDP-глюкуронозил-трансфераза. Образование глюкуроновой кислоты из UDP-глюкозы. Механизм действия фермента. Сульфотрансфераза. ФАФС. Механизм действия сульфотрансфераз. Метилтрансфераза. Ацилтрансфераза. Варианты реакций конъюгации функциональных групп чужеродных соединений с глутатионом. Изоформы глутатион-S-трансфераз (ГСТ). Механизм действия ГСТ. Достоинства ферментных систем второй фазы биотрансформации ксенобиотиков.

Третья фаза − связывание, транспорт и выведение конъюгатов чужеродных соединений из клетки и из организма. Переносчики конъюгатов ксенобиотиков в плазме крови: альбумин, липопротеины и ₁-глико-протеин. АВС-транспортеры. Доменная структура АВС-белков, механизм переноса через клеточную мембрану. Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде.

Механизмы возникновения множественной лекарственной устойчивости. Р-гликопротеин. Белок р53. Антионкоген РТЕN.
5. Образовательные технологии

Виды/формы образовательных технологий.

Преподавание курса ведется в виде лекций. Студенты готовят доклады-рефераты, затрагивающие актуальные темы физиологической химии и медицинской биохимии. Тем самым обеспечивается обратная связь с аудиторией. Лектор может оперативно влиять на ход лекции, отвечая на вопросы по актуальным темам медицинской биохимии. Таким образом, реализуется также интерактивная форма обучения. Активность студентов на лекции стимулируется тем, что за оригинальные рефераты отличившемуся студенту приписываются дополнительные бонусные баллы, которые учитываются при получении оценки-«автомата» за семестр.

Преподаватель курса является действующим специалистом в области молекулярно-биологической и физиологической химии, и заинтересован в освоении студентами основ этих дисциплин. В связи с этим студентам часто предлагаются актуальные для медицинской биохимии темы рефератов, построенные на основе современных исследовательских данных, полученных научными сотрудниками и представленных, в основном, в реферируемых зарубежных журналах.
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Формой текущего контроля при прохождении дисциплины «Физиологическая химия» является контроль посещаемости занятий, сдача коллоквиумов, написание и представление реферата.

Для того, чтобы быть допущенным к экзамену, студент должен выполнить следующее:

• 
  в ходе прохождения дисциплины посетить не менее 75 % занятий;
  
• 
  сдать на положительные оценки два коллоквиума.
  

Коллоквиумы оцениваются следующим образом:

• 
  верные ответы на все вопросы оцениваются на «отлично»;
  
• 
  неверный ответ на один вопрос или незначительные ошибки в ответах на несколько вопросов оценивается на «хорошо»;
  
• 
  неверный ответ на несколько вопросов оценивается как «удовлетворительно»;
  
• 
  в случае неправильных ответов или отсутствия химических структурных формул соединений, схем процессов ставится оценка «неудовлетворительно».
  

В зависимости от работы в течение семестра студент имеет право на получение оценки без сдачи экзамена (оценки отлично-«автомата»).

Для этого он должен:

• 
  в ходе прохождения дисциплины посетить не менее 75 %;
  
• 
  или сдать два коллоквиума на оценку «отлично».
  

Студенты по желанию готовят доклады-рефераты, затрагивающие актуальные темы физиологической химии и медицинской биохимии.

1. Механизм трансмембранного переноса глюкозы в клетки.

2. Витамин К.

3. Регуляция мышечного сокращения.

4. Протеинкиназы.

5. Лизилоксидаза: строение и механизм действия.

6. Реакции гидроксилирования в синтезе стероидных гормонов и катехоламинов.

7. Плюсы и минусы действия витамина Е.

8. Желчные кислоты: структура, синтез, механизм действия.

9. Гем-оксигеназная система.

10. Цитохром Р₄₅₀: структура и функции.

11. Детоксикация ксенобиотиков в биологических мембранах.

12. Окись азота  биологический «хамелеон».

13. Пост-трансляционная модификация коллагена.

14. Церулоплазмин: свойства, функции и патологические состояния.

15. Гликозилирование белков и патологические состояния в организме человека.

16. Эйкозаноиды: синтез, биологические эффекты, способы инактивации.

17. Гомоцистеинилирование белков ─ причина атеросклероза?

18. Гликозаминогликаны: синтез, функции, патологические состояния.

19. NO-синтаза: структура, механизм действия и биологические функции.

20. Липопротеины.

21. G-белки.

22. Рецепторы: современные модели строения и функционирования.

23. Механизмы функционирования пищеварительных протеиназ.

24. Окислительный стресс и метаболизм в организме.

25. Особенности функционирования рецепторов стероидных гормонов в злокачественных опухолях молочной железы.

Прежде всего, отметим, что в организм липиды (как жирные кислоты и их производные, так и холестерин) могут поступать как с пищей, так и в результате эндогенного синтеза. Кроме того, липиды могут накапливаться в организме в белой и бурой жировой тканях (в специальных клетках − адипоцитах), либо в самих клетках в виде жировых капель. Транспорт этих веществ осуществляют кровеносная и лимфатическая системы. Однако их жидкостные среды мало подходят для переноса гидрофобных соединений. Поэтому в организме липиды транспортируются в виде свободных жирных кислот, связанных с транспортирующими белками, либо комплексов с белками – липопротеинов.

Свободные жирные кислоты (СЖК), т.е. жирные кислоты в неэстерифицированной форме, в плазме крови переносятся альбуминами, у клеточной мембраны комплекс диссоциирует, затем СЖК проходят через мембрану и в клетке переносятся Z-белками (специфичны у разных организмов).

Более подробная схема данного процесса представлена на рис. 1.

Липопротеины в крови представлены несколькими фракциями, выделенными с помощью метода ультрацентрифугирования (табл. 1). Важно отметить, что плотность характеризует содержание липидов в комплексе, так как чистый жир имеет плотность меньшую, нежели вода (чем меньше плотность, тем больше липидная часть).

Вот основные фракции липопротеинов в крови:

1. хиломикроны, образующиеся в кишечнике при всасывании триацилглицеролов;

2. липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП, или пре-β-липопротеины), которые образуются в печени и используются для экспорта триацилглицеролов;

3. липопротеины низкой плотности (ЛПНП, или β-липопротеины), представляющие собой конечную стадию катаболизма ЛПОНП;

Рис. 1. Синтез и мобилизация триацилглицеридов

4. липопротеины высокой плотности (ЛПВП, или α-липопротеины), участвующие в метаболизме ЛПОНП и хиломикронов, а также холестерина.

Основным липидом хиломикронов и ЛПОНП является триацилглицерол, в то время как преобладающими липидами ЛПНП и ЛПВП являются соответственно холестерин и фосфолипиды. Также качественный состав различных фракций иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2. Качественный состав различных фракций липопротеинов

Таблица 1

Фракции липопротеинов в плазме крови

Несколько слов о структуре липопротеина (рис. 3). Он состоит из липидной и белковой (апобелка) частей. В состав липопротеина могут входить один или несколько апобелков. Некоторые апобелки являются интегральной частью липопротеина, а другие могут перемещаться с одного липопротеина на другой.

Апобелки обозначают буквами: А, В, С, Е − и выполняют разнообразные функции. Они могут служить лигандами для рецепторов клеток при использовании липопротеинов тканями (табл. 2), обеспечивать взаимодействие с липопротеин-липазой (ЛП-липазой).
Рис. 3. Структура липопротеина

Изменение конформации как рецептора, так и лиганда − апобелка по различным причинами приводит к нарушению использования липопротеинов и их накоплению в крови. Апобелки могут активировать ферменты, участвующие в обмене липидов (ЛП-липаза, ЛХАТ). Например, апо-С_II является кофактором ЛП-липазы. Этот апобелок имеет специфический участок связывания с ЛП-липазой, а гидролиз ТАГ в составе ХМ и ЛПОНП происходит при контакте липопротеина с ферментом. Апобелки выполняют также и структурную функцию.

Таблица 2

Рецепторы липопротеинов

Липиды могут включаться в транспортные пути по-разному: они могут как поступать с пищей (экзогенные липиды), так и синтезироваться в организме. Кроме того, для холестерина показана система

обратного транспорта из тканей назад в печень. Основные транспортные пути липопротеидов представлены на рис. 4 и 5.

В клетках слизистой кишечника экзогенный холестерин и ТАГ встраиваются в хиломикроны и далее транспортируются кровью.

Этот пул холестерина существует не только для собственных нужд печени, но и для снабжения других тканей. Холестерин печени вместе с жирами, синтезированными из глюкозы, включаются в ЛПОНП и таким образом транспортируются кровью. После гидролиза жиров ЛП-липазой образуются ЛПОНП остаточные, называемые ЛПСП. Эти липопротеины либо поглощаются печенью, либо превращаются в ЛПНП.

В клетках-потребителях холестерина существуют рецепторы для ЛПНП. Взаимодействие рецепторов с ЛПНП происходит с помощью апо-В-100, после чего ЛПНП путем эндоцитоза поглощается клеткой. Потребление холестерина клеткой регулируется путем изменения количества рецепторов на поверхности клетки. При снижении потребности клетки в холестерине уменьшается количество рецепторов. Регулятором является сам холестерин, который репрессирует транскрипцию генов, соответствующих этим белкам.

Липопротеины, циркулирующие в крови, обмениваются холестерином. Особенно активно это происходит между ЛПНП и ЛПВП, причем поток холестерина направлен в сторону ЛПВП. Холестерин в виде свободного неэтерифицированного соединения находится в поверхностном монослое липопротеинов. ЛПВП способны этерифицировать холестерин с помощью лецитинхолестеринацилтрансферазы (ЛХАТ).

ЛХАТ катализирует перенос ацильного остатка фосфатидилхолина на холестерин. Эфир холестерина погружается внутрь ЛПВП, освобождая место для новых молекул холестерина в поверхностном слое. Двусторонняя диффузия холестерина происходит и при контакте ЛПВП с клетками, при этом ЛПВП извлекают холестерин из мембран клеток. ЛПВП, нагруженные холестерином, поглощаются в основном печенью путем эндоцитоза и там освобождают холестерин. Следовательно, ЛПВП предупреждает накопление холестерина, а ЛПНП обеспечивает клетку холестерином по мере потребности в нем. Таким способом поддерживается постоянство содержания холестерина в клетках. Нарушение соотношения между ЛПНП и ЛПВП может быть причиной гиперхолестеринемии.