Аналитическая биохимия: в 3 т. Т. 1

Н.Н. Мушкамбаров





                АНАЛИТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ




В трех томах

Том 1

Монография

3-е издание, стереотипное





Москва Издательство «ФЛИНТА» 2020

УДК 577.01
ББК 28.072 М93





    Мушкамбаров Н.Н.
М93   Аналитическая биохимия [Электронный ресурс] : монография :
    в 3 т. / Н.Н. Мушкамбаов. — 3-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА, 2020. — 392 с. — Т. 1. — 392 с.

    ISBN 978-5-9765-2291-6

         В книге представлен оригинальный, разработанный автором, курс. Он содержит те же, что классическая биохимия, разделы: «Белки», «Ферменты», «Сложные белкосодержащие структуры», «Нуклеиновые кислоты и синтез белков», «Молекулярно-клеточная биология», «Метаболизм». Но все эти проблемы рассматриваются с позиций математической логики, а также с использованием методов биофизической химии и биофизики. Таким образом, основное содержание книги — это детальный математический анализ (в основном, на достаточно простом уровне) биохимических объектов и явлений. При этом многие формулы и почти все количественные оценки получены самим автором.
         Книга адресована студентам (медикам и биологам), готовящимся к научной работе, а также аспирантам, стажерам и всем, кому необходимо научиться анализировать сведения о молекулярной организации жизни.

                                                           УДК 577.01 ББК 28.072





ISBN 978-5-9765-2291-6

        © Мушкамбаров Н.Н., 2015
        © Издательство «ФЛИНТА», 2015

-3                  Ставить перед собой цели - это приговаривать не только себя, но и окружающих.
                  К счастью, моя цель лежала не в области политики и не в военной сфере. Так что число пострадавших сравнительно невелико.
                  Но семья И Особенно в наше время, когда интеллектуальная работа стала чем-то вроде порока.
                  Я не смог преодолеть эту пагубную страсть: я предавался ей многие годы. -
                  а семья всё ждала и ждала ...

                  Жена моя, Алла Павловна !
                  Мама, Офелия Романовна !
                  Дети - Коля, Илюша, Маша и Катеринка!

                  Всё. что могу. - посвятить вам эту книгу.
                  Всё. что мозу ...


г

- 4 -

      Выражаю глубокую благодарность академику рлмн, ректору Московской медицинской академии им. И. М.Сеченова, профессору Михаилу Александровичу ПАЛЬЦЕВУ за многолетнюю терпеливую и удивительно человечную поддержку.

      Благодарю также проректоров этой академии с.В.ГРАЧЁВА Н.В.ЧЕБШЕВА и П.С.ВЕТИЕВА за их неоднократную административную помощь.

« ♦ *

      Мне хотелось бы упомянуть с благодарностью и Игоря Ивановича ВОТРИНА - профессора, члена-корреспондента Российской Академии медицинских наук.
      Почти всегда в трудные или даже критические моменты своей научной судьбы я обращаюсь к нему - и непременно нахожу самое доброжелательное участие.





      Я с признательностью называю здесь сотрудников И. 3. Юрьева -Сергея Леонидовича Мелехова и Анжелику Владимировну Семикину,-которые в немалой степени способствовали успешному решению вопроса о финансировании издания этой книги.




      Книга набрана на компьютере автором при любезном содействии канд. техн. наук К.А.СУРКОВА - заведующего лабораторией Медицинской Информатики ММА им. И.М.Сеченова.
      Выражаю глубокую благодарность Константину Алексеевичу за это содействие.
      Благодарю также сотрудников его лаборатории, оказавших мне помощь в освоении компьютерного набора и при распечатке текста. Особенно хотел бы отметить оператора Георгия КИОСОВА.

-5ПРЕДИСЛОВЯЕ


      1)     Данная книга - это краткий, предназначенный для более оперативного использования, вариант двух предыдущих моих книг - руководства "Аналитическая биохимия белков и нуклеиновых кислот" (первые 25 глав настоящего трёхтомника) и монографии "Метаболизм: структурно-химический и термодинамический анализ" (последние 5 глав).
       Монография издана в 1988 г. ("Химия", 1020 с., в 3-х томах); руководство же. в силу своего большого объёма (порядка 150 авт.л.), осталось рукописью - и, видимо, навсегда.
       Издаваемая сейчас книга отличается от указанного руководства, во-первых, тем, что в ней полностью опущены сведения, которые составляют содержание классической биохимии, а также других базисных дисциплин - математики и физической химии. Если такие сведения и приводятся, то лишь в крайне конспективной форме - как необходимая "затравка" к анализу той или иной количественной проблемы.
       Во-вторых, совершенно иной - гораздо более традиционной -является форма изложения.- В исходном руководстве значительная часть количественных вопросов рассматривается в процессе решения задач; здесь же практически всё перенесено в описательную часть книги, которая к тому же составлена "нормальным" (а не табличным, как в руководстве) способом.
       И, в-третьих, немалую часть расчётного материала пришлось, конечно, сократить.
       Впрочем, все эти обстоятельства интересны, вероятно, лишь автору. Поэтому, не задерживая долго внимания читателя, отмечу ещё лишь два-три наиболее важных момента.

      2)       Термина "Аналитическая биохимия" до сих пор не существовало. Что означает это понятие,- об этом говорится во "Введении". Здесь же я должен лишь сказать: создавая данный курс, я волей-не-' волей должен был самостоятельно рассмотреть многие количественные вопросы.
       Так вот, такие места (т.е. мои собственные выкладки и формулы) обозначены в тексте "звездочками" ⁽*’. Это важно не столько в смысле приоритета (легко допустить, что нечто подобное уже отражено где-то в литературе, оставшейся за пределами моего внима

-6  ния); это важно как сигнал читателю: к данному материалу следует подходить критически.- Подобно любому творческому результату, книга вполне открыта для дискуссий.

      3)     Правда, тут возникает вопрос: а можно ли не подвергшийся тщательному научному обсуждению материал рекомендовать в качестве учебной литературы? Понимает ли автор свою большую ответственность ?
       Я, мне кажется, ее понимаю и многое неоднократно проверял (хотя неточности и даже ошибки, разумеется, могли остаться). Но я вовсе не стремился создать свод догм или набор формул, которыми следует механически пользоваться.
       Главная цель курса - продемонстрировать в каждом случаю студенту возможный ход мюли - с тем, чтобы он, студент, тоже стал мыслить. И чем больше в тексте указанных выше "звездочек" ⁽а>, тем убедительней тезис о том, что над данным материалом можно и должно размышлять. Учебник без авторских "звездочек", с моей точки зрения, странен и нелеп, мертв и схоластичен. Если у автора при многолетнем преподавании большого курса не возникает множества своих идей и интерпретаций, то, наверно, ему лучше не становиться автором.
       Конечно, может оказаться, что где-то, вместо предложенного в книге, можно было (или следовало) использовать другой ход размышлений и даже придти к другим выводам. Что же, если студент сам дойдет до этого - лучшего итога невозможно представить.
       Таким образом, я надеюсь, что. помимо прочего, этот курс будет способствовать развитию у студентов навыков аналитического лымения. которые при медицинском и вообще догматическом, "сверхответственном", образовании обычно утрачиваются.

      4)     Далее. Из того, что в книге опущены, как правило, классические биохимические сведения (начиная со строения аминокислот), следует: она предназначена для тех, кто этими сведениями уже овладел или овладевает. Т.е. в данном варианте курс рассматривается как параллельный обычному курсу биохимии или следующий за ним.
      При этом главный адресат - студенты (медики или биологи), которые предполагают посвятить себя исследовательской деятельности.

       5)      И, наконец, я должен выразить благодарность человеку, который своим интересом (или терпением ?) стимулировал мою работу над предлагаемой книгой. Это Иван Сухих, в то время студент фа

-7  культета подготовки научных и научно-педагогических кадров Московской медицинской академии. Я читал ему первые 15 глав (на каждую уходило три с половиной - четыре часа), после чего вносил в текст те или иные коррективы. В результате, сформировался определенный стиль, что облегчило работу и над остальными главами.
     Так и получилась эта книга, в которой сконцентрировались, наконец, итоги моих размышлений за уже многие-многие годы.

-8ВВЕДЕНИЕ



     "Лналилшческая биохимия - элю биохшшя. положенная на музыку

- музыку жалюмалических формул", мне по душе такое определение, и я предлагаю его считать официальным.
     По правде говоря, создание, данного курса я рассматривал, в

первую очередь.

как а

цческию



задачу и лишь во вторую - как

научную. Впрочем, эти вещи вряд ли разделимы.- Всякая наука должна быть красива; без этого она не наука, а чудище, монстр, которым пугают до смерти бедных студентов. Мало того, без этого она

просто недееспособна.
     А что такое красота в науке ? - Это четкие формы, строгая логика, полная гармония взаимосвязей. Когда факты не громоздятся в бессмысленные кучи, а скреплены мыслью - и формулами.
     Формул же на всю биохимию была лишь одна (если, разумеется, не считать химических) - уравнение Михаэлиса-Ментен. 1916 года рождения. Ну. может, еще немного - и все.
     Конечно, биохимия все равно прекрасна. Она прекрасна мощным экспериментом, мельчайшей выверенностью фактов, величественной красотой уже сложившихся представлений о сложнейших молекулярных процессах и неудержимым наступлением все новых открытий.
     Но... - зайти с другой стороны, зайти с тыла - и увидим первобытную эмпирику и допотопную описательность. Уже тривиально звучит, уже каждому известно, что наука может называться наукой

лишь тогда, когда от слов переходит к количественным оценкам и расчётам. Известно - но все равно: время идет, а медико-биологические дисциплины (кроме разве что биофизики) так и пребывают в положении полу-наук, четверть-наук, как-бы-наук.
     Курс "Аналитическая биохимия" - это попытка вывести биохимию из подобного состояния. Таким образом, в данном случае рассматриваются те же объекты и явления, что и в классической биохимии, но - с позиций мамемалической логики.
     Полистав книгу или просмотрев оглавление, читатель увидит весьма типичные для биохимических учебников названия разделов: •Белки". "Ферменты", "Сложные белоксодержащие структуры", "Нуклеиновые кислоты и синтез белков", "Молекулярно-клеточная биология", "Метаболизм".
     И в то же время почти весь текст книги заполнен математи

-9ческими расчетами. Как и что с чем связано ? Каковы конкретные количественные оценки ? Что из всего этого следует ? - Вот вопросы, рада которых проводятся эти расчеты.
     И должен сказать: по моему впечатлению, такой подход удивительно эффективен и доставляет истинное творческое удовлетворение.- Работая только за письменным столом, анализируя вроде бы прописные истины, приходишь к такому обилию результатов и идей, которых не достиг бы и за сотню лет экспериментальной работы.
     Но, разумеется, никогда не надо забывать, что в основе всех этих размьилений - его величество экспериментальный факт, добытый трудом предшественников. Другое дело, что. как в школьной задаче, здесь тоже из двух таких фактов можно найти третий, четвертый, а какую-то большую совокупность Фактов объединить единой формулой. В этой простой идее, давно реализованной во многих науках, и состоит весь предлагаемый подход к биохимии.
     Кроме математики, в курсе аналитической биохимии широко используются методы биофизической химш, и биофизики, так что данный курс имеет во многом синтетический характер Но в основе его. как уже сказано, лежит все-таки биохимия (ее последовательность, структура и объекты), которая лишь подвергается аналитической обработке. Отсюда и название "Аналитическая биохимия", которое, несмотря на скептицизм некоторых оппонентов, кажется мне все-таки наиболее подходящим.
     Одним из недостатков этого названия является то, что оно сразу наводит на ассоциацию с аналитической химией - наукой очень достойной, но отстоящей от аналитической биохимии примерно так же, как палеонтология. Однако, с моей точки зрения, было бы еще хуже давать новому курсу заведомо неадекватное название.
     Так что оставим его, как есть, и перейдем непосредственно к

делу.

-10Раздел I. БЕЛКИ

Глава 1. Аминокислотный состав белков и обусловленные им свойства

     Число различных белков в организме человека точно не известно, но его оценивают в 50000-100000.
     Все вместе белки составляют 45% сухого веса организма, т.е. значительно больше, чем вещества любого другого класса.

                  1.1. Аминокислоты^ состав
1.1.1. Возможное множество белков
     а) А. Как известно, белки состоят из остатков аминокислот (АК): общие формулы АК и их остатков таковы:

    R
    I н₂и—сн—соон ;

-N—CH—J—

(1.1, а-б).

(Исключение - пролин и гидроксипролин, "не укладывающиеся" в эти формулы)
       Б. Остатки различаются своими радикалами (R), а друг с другом соединены пептидными связями :               ¹


    . * > *
     I¹ 1¹М |

-j-NH—CH—j—NH—CH—g-y

(1.2).

     В. Всего в природных белках встречается примерно 20 видов АК. Нетрудно оценить, сколько различных белков могло бы образоваться из этого количества АК.
   б)⁽,> А.Так, пусть вначале речь идет о пептидах, содержащих по 1 остатку каждой АК (т.е. всего по 20 остатков), и пептиды разли