Биохимические основы химии биологически активных веществ

Л. В. Коваленко

Учебное пособие
 

Допущено
Учебно-методическим объединением по образованию
в области химической технологии и биотехнологии
в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности
«Химическая технология синтетических
биологически активных веществ»

БИОХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ХИМИИ
БИОЛОГИЧЕСКИ
АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

6-е издание, электронное

Москва
Лаборатория знаний
2024

У Ч Е Б Н И К   Д Л Я   В Ы С Ш Е Й   Ш К О Л Ы

УДК 577
ББК 28.072я73
К56

С е р и я
о с н о в а н а
в
2009 г.
Р е ц е н з е н т ы:
проф. кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева,
д. б. н. Н. Б. Градова;
проф. зав. лабораторией геномики и липидомики ГУ НИИ
общей патологии и патофизиологии РАМН,
д. х. н. Р. И. Жданов
Коваленко Л. В.
К56
Биохимические основы химии биологически активных веществ : учебное пособие / Л. В. Коваленко. — 6-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2024. — 232 с. — (Учебник для высшей
школы). — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-683-4
Рассмотрены основные биополимеры и их составляющие, принципы
главных катаболических и анаболических превращений, пути их регуляции,
механизмы взаимодействия некоторых биологически активных соединений
с биохимическими мишенями, различные направления метаболизма ксенобиотиков и роль активного кислорода в живых системах.
Для студентов, аспирантов, преподавателей и научных работников
химических, биохимических и химико-фармацевтических специальностей.
УДК 577
ББК 28.072я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Биохимические основы химии биологически активных веществ : учебное пособие / Л. В. Коваленко. — 4-е изд. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 229 с. : ил. — (Учебник
для высшей школы). — ISBN 978-5-00101-036-4.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-683-4
© Лаборатория знаний, 2015

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Глава 1. Углеводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.1. Строение углеводов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2. Химические свойства углеводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3. Производные углеводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Глава 2. Нуклеиновые кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Глава 3. Липиды и клеточные мембраны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.1. Эфиры жирных кислот и глицерина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2. Липидные компоненты клеточных мембран. . . . . . . . . . . . 61
3.3. Клеточные мембраны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Глава 4. Аминокислоты, пептиды и белки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.1. Аминокислоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2. Пептиды и белки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Глава 5. Ферменты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.1. Индуцированное соответствие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2. Эффект сближения реагирующих групп . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3. Дестабилизация связей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4. Согласованный кислотно-основный катализ . . . . . . . . . . 103
5.5. Ингибирование ферментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Глава 6. Метаболизм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Глава 7. Катаболические превращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

7.1. Гликолиз. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.2. Окислительное декарбоксилирование пирувата . . . . . . . 122
7.3. Цикл Кребса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.4. Катаболизм жирных кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.5. Катаболические превращения аминокислот . . . . . . . . . . . 131

Оглавление

Глава 8. Окислительное фосфорилирование. . . . . . . . . . . . . . . . 140

Глава 9. Фотосинтез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Глава 10. Основные анаболические процессы . . . . . . . . . . . . . . 161

10.1. Глюконеогенез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
10.2. Биосинтез жирных кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
10.3. Биосинтез терпеноидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
10.4. Биосинтез аминокислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10.5. Биосинтез пептидов и белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
10.6. Образование азотистых оснований и
нуклеиновых кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

Глава 11. Нейрогуморальная регуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Глава 12. Метаболизм ксенобиотиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

Глава 13. Клетки и активный кислород. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

4
Оглавление

Развитие промышленного производства в России предполагает
значительное увеличение капиталовложений в химическую промышленность, положение которой в общем объеме национального
продукта в настоящее время не соответствует оптимальному балансу производственных отношений. Доля химической промышленности в ВВП составляет всего лишь 5–6%, а в мировой химической и
нефтехимической промышленности мы занимаем двадцатое место.
Правда, экспорт продукции химических предприятий пока превышает импорт, но основное место в поставляемом на внешние рынки
ассортименте по-прежнему занимают удобрения, полуфабрикаты
полимеров и продукты первичной переработки природного сырья.
Наиболее значительное отставание наблюдается в производстве
биологически активных веществ, используемых в качестве действующих начал агрохимических препаратов и субстанций лекарственных средств.
Именно в этой сфере химических производств реализуются высокие технологии, использующие специальные производственные
аппараты и аналитические приборы, а также эффективные способы реализации многостадийных химических процессов. Высокие
технологии востребованы как при получении уже известных соединений, так и при организации производства новых разрабатываемых лекарств и других средств воздействия на живую природу.
Наша страна нуждается в опережающих темпах развития тонкого органического синтеза с внедрением высокотехнологичных
производств не только биологически активных веществ, но и высокоэффективных катализаторов, красителей, пигментов, добавок
самого разного назначения. Однако все эти вещества обязательно
будут воздействовать на окружающую среду, на людей, занятых
в их производстве, и на потребителей этой продукции. Именно поэтому разработчики новых технологических процессов и занятые
в синтезе новых соединений исследователи должны иметь достаточно объективные представления о функционировании живых
систем на молекулярном уровне и о возможных механизмах включения целевых и побочных продуктов химических производств
в биохимические превращения.

Предисловие

Уже сейчас ощущается острая потребность в квалифицированных специалистах в области тонкого органического синтеза и анализа химических соединений для работы в исследовательских институтах РАН и на передовых предприятиях, работающих в сфере
здравоохранения. В ближайшее время систему высшего образования ожидают глубокие реформы, которые должны привести
в соответствие уровень подготовки выпускников высших учебных заведений и постоянно растущие требования науки и производства к приобретаемому багажу знаний и умений специалистов,
которые должны легко и эффективно адаптироваться к поставленным перед ними задачам. В условиях современной организации
технологических процессов и научных исследований важную роль
приобретает готовность персонала к изменениям в производственной и научной деятельности. Это обусловливает необходимость
организации учебного процесса в высшей школе в соответствии
с новыми стандартами, учитывающими современные тенденции
в кадровой политике руководителей предприятий и научно-исследовательских коллективов.
Для химиков, которые занимаются разработкой новых биологически активных веществ и организацией их производства, становится обязательным изучение таких дисциплин, как, например,
биохимия, медицинская химия, молекулярная патофизиология,
супрамолекулярная химия. Эти знания требуются для эффективной работы в составе комплексных коллективов, в работе которых принимают участие биологи самой разной специализации
и медики. В новых учебных планах высших учебных заведений
серьезное внимание уделяется организации самостоятельной
работы студентов, однако учебники и специализированные учебные пособия по этим предметам или отсутствуют совсем, или же
сильно устарели. В соответствии с изложенным издание данного
учебного пособия удачно дополняет существующие материалы
по биохимии, предназначающиеся в первую очередь для студентов биологических специальностей.

Президент РХТУ им. Д. И. Менделеева,
действительный член РАН
П. Д. САРКИСОВ

6
Предисловие

CОХ
—
циклооксигеназа
СоА
—
кофермент А
FAD
—
флавинадениндинуклеотид
FMN
—
флавинмононуклеотид
Hb
—
гемоглобин
metHb
—
метгемоглобин
NADH
—
никотинамидадениндинуклеотид
IF
—
белковый фактор инициации
NADPH
—
никотинамидадениндинуклеотид фосфат
в восстановленной форме
QSAR
—
теория о количественных зависимостях
активности веществ от их строения
(Quantitative Structure-Activity Relationship)
Pi и PРi
—
анионы фосфорной и пирофосфорной кислот
(i — inorganic)
АДФ, ADP
—
аденозиндифосфат
АПБ
—
ацилпереносящий белок
АКТГ
—
адренокортикотропный гормон
AMФ, AMP
—
аденозинмонофосфат
АТФ, AТP
—
аденозинтрифосфат
БАВ
—
биологически активное вещество
ГЛБ, HLB
—
гидрофильно-липофильный баланс
ГМФ
—
гуанозинмонофосфат
ГДФ
—
гуанозиндифосфат
ГТФ, GTP
—
гуанозинтрифосфат
ДНК
—
дезоксирибонуклеиновая кислота
МКЦ
—
микрокристаллическая целлюлоза
мяРНК
—
малая ядерная РНК

Список сокращений

ПАСК
—
п-аминосалициловая кислота
РНК
—
рибонуклеиновая кислота
мРНК
—
матричная РНК
ПАВ
—
поверхностно-активное вещество
рРНК
—
рибосомальная рибонуклеиновая кислота
ТПП, ТPP
—
тиаминпирофосфат
тРНК
—
транспортная РНК
тРНКMet
—
транспортная РНК, предназначенная
для связывания с метионином
цАМФ, сАМР —
циклический аденозинмонофосфат
ЦНС
—
центральная нервная система
Фп
—
фосфопантетеил

8
Список сокращений

Я состою из действующей силы и телесной материи. Ни одно из них не обращается в ничто, так как они не возникают из
ничего. Каждая часть моего существа через
превращение входит в какую-нибудь часть
мира, и эта, в свою очередь, опять в другую
часть его, и так бесконечно совершаются
его превращения. В силу подобных превращений, возник и я, как и мои родители,
и так назад до бесконечности.

Марк Аврелий Антонин, 121–180 гг.

Биохимия, или химия живого, представляет собой самостоятельную естественнонаучную дисциплину, которая включается в учебные планы не только для подготовки специалистов в области молекулярной биологии или других биологических наук, но и для
подготовки химиков самых разных направлений, поскольку любые
их разработки так или иначе будут взаимодействовать с живой
природой. При этом понятно, что освоение всего материала, накопленного за многие годы развития этой области естествознания,
даже для специалистов в области химии и технологии биологически активных веществ не представляется возможным. Задача предлагаемого курса состоит в том, чтобы в рамках целостного курса
биохимии создать основы для понимания механизмов действия и
биотрансформации лекарственных средств, агрохимических препаратов и других ксенобиотиков, тем более что классификация
биологически активных веществ все чаще и чаще основывается на
механизмах их биологической активности.
В одном из номеров журнала «Химия и жизнь» было предложено оценить возможность проявления токсических свойств у ряда
химических соединений, представленных только их химическими
формулами. Хорошо зная неорганическую химию, можно было на
основании различия в химических свойствах тетрафторида серы и
гексафторида серы предположить безвредность второго и высо
Введение

кую токсичность первого, но думаю, что ни один читатель этого
журнала, даже из тех, кто подробно изучил обычные учебники по
биохимии, не сможет правильно оценить токсичность химически
инертного 2,3,4,6-тетрахлордибенздиоксина, если, конечно, он не
занимался проблемой метаболизма ксенобиотиков специально.
Курс биохимии, преподаваемый будущим специалистам в области синтеза и применения биологически активных веществ
(БАВ), во-первых, дает полное представление об этой области естественных наук, а во-вторых, закладывает основы, небходимые
для изучения курсов медицинской химии (Mеdicinal chemistry),
токсикологии, химии агрохимических препаратов и молекулярной
патофизиологии (Medical chemistry). В 1997 г. Комиссия ИЮПАК
дала определение медицинской химии: «Медицинская химия является химической дисциплиной, включающей также аспекты
биологии, медицины и фармацевтики. Она заключается в изобретении, открытии, дизайне, идентификации и получении БАВ, в изучении их метаболизма и интерпретации их механизма действия
на молекулярном уровне, а также в установлении взаимосвязей
структура-активность». Из этого определения следует, что медицинская химия представляет собой область знаний, которая непосредственно контактирует с органической химией и с биохимией.
Возможны два подхода к проблеме направленного поиска новых
биологически активных веществ и изучения отклика объектов живой
природы на химические соединения естественного или искусственного происхождения — статистический и биорациональный. Первый из них представлен накоплением информации о биологической
активности в отдельных классах органических соединений и предсказанием свойств новых веществ на основании анализа зависимости активности от строения для известных соединений. Для этого
в определенном классе веществ синтезируют несколько десятков
структурных аналогов и проводят детальное изучение их биологической активности и физико-химических характеристик. Затем соединения разбивают на две группы, составляющие обучающую и
проверяющую матрицы. Основная задача состоит в том, чтобы
представить строение молекулы и ее свойства в виде числовых
характеристик — дескрипторов. Потом на соединениях, входящих в
обучающую матрицу, составляют математическое описание зависимости свойств веществ от их строения, и валидность этого описания
проверяют на второй контрольной группе соединений (10–20% от
общего числа). Если математическое описание верно (валидно), то

10
Введение