Воронеж Университетская площадь, 1
8-(473)220-88-77 Кафедра биохимии и физиологии клетки
bc366@bio.vsu.ru зав.кафедрой д.б.н., проф. Епринцев А.Т.

Биохимия

Биохимия - это важнейшее направление науки, вокруг которого сегодня объединены все области биологии и медицины. Биохимия больше, чем просто один из разделов химии. Она проникает в самую суть вопроса, веками волновавшего людей: что такое жизнь? Или точнее: что делает массу «неживых» молекул, объединённых в клетку и организм, живой?". Огромному прогрессу в понимании того, как устроена жизнь, мы обязаны именно открытиям в биохимии и смежных науках. Например, сегодня мы наконец приближаемся к пониманию того, как согласованная работа генов обеспечивает необыкновенно скоординированное функционирование живых клеток и развитие многоклеточного организма из единственной клетки. Знания биохимии отнюдь не ограничиваются сферой чистой науки, а могут использоваться, например, для разработки новых способов диагностики болезней, их предотвращения или лечения. Достижения практической биохимии окружают каждого из нас повсюду: от новых лекарств до ферментов стиральных порошков, от создания новых сортов растений до сверхсовременных компьютерных технологий. Объектами биохимических исследований на кафедре являются все основные группы организмов: животные (крысы, мыши и даже шмели), растения, бактерии и, конечно, человек. В настоящее время успешно развивается два основных направлении работы - Классическая биохимия и энзимология.

Энзимология

Ферменты катализируют огромное количество многостадийных химических реакций. Эти вещества, повышая активность реагирующих молекул, снижают силы химического сопротивления. В отсутствии ферментов все реакции в живых организмах протекали бы очень медленно и не могли бы поддерживать жизнеспособность. Русский физиолог И.П. Павлов называл ферменты "возбудителями жизни". Важнейшей задачей энзимологии данного раздела биохимии, успешно реализуемой на нашей кафедре, является получение ферментов в гомогенном состоянии для исследования их молекулярного строения и функций. Необходимо отметить, что получение ферментативного препарата является достаточно сложным многоступенчатым процессом. Однако изучение влияния различных факторов на скорость ферментативных реакций дает возможность делать важные выводы о регуляторных функциях и механизме действия ферментов. Обычно данные кинетических исследований и структуры фермента сопоставляют с данными, полученными при изучении экспрессии соответствующих генов в определенных условиях роста. Препараты высокоочищенных белков находят разнообразное применение в научных исследованиях, медицине и биотехнологии.

Молекулярная биология

Молекулярная биология на кафедре биохимии и физиологии клетки начала развиваться в 2000 году. Материально-техническое оснащение кафедры биохимии и физиологии клетки позволяет проводить исследования молекулярно-генетической организации функционирования организмов. Использование метода полимеразной цепной реакции (ПЦР), количественной ПЦР в реальном времени, секвенирования и других современных методов молекулярной биологии позволило сотрудникам кафедры показать механизмы индукции некоторых ферментов цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного цикла под действием различных факторов внешней среды. Проведена идентификация гена изоцитратлиазы у насекомых, и дополнительного гена сукцинатдегидрогеназы у кукурузы. Проводятся исследования тонких механизмов регуляции активности генов посредством специализированных транскрипционных факторов. Активация факторов транскрипции внутриклеточными рецепторными системами обеспечивает контроль активности генов-мишеней в клетках при адаптации к воздействию стрессоров различной природы.

Важную роль в молекулярных исследованиях на кафедре биохимии и физиологии клетки играет направление эпигенетики, которое посвящено исследованию метилирования ДНК. Изменение метильного статуса ДНК, и в особенности регуляторных элементов генов (промоторов), является важным эпигенетическим механизмом контроля скорости их функционирования. Исследования показали, что изменение метильного статуса промоторов, имеющих в своем составе CpG-островки, играет ключевое значение в регуляции уровня их транскриптов в клетке в адаптивной реакции на стресс.

Image placeholder

Микробиология

Микробиологи на кафедре биохимии и физиологии клетки занимаются изучением филогении и метаболизма бесцветных сероокисляющих бактерий. Сотрудники кафедры единственные в России поддерживают чистые культуры труднокультивируемых нитчатых микроорганизмов, относящихся к родам Beggiatoa, Thiothrix, Sphaerotilus . Сотрудниками кафедры выделено и описано 6 новых родов и 20 новых видов бактерий. Изучен метаболизм углерода, серы и азота у этих бактерий.

В последние годы классические биохимические и молекулярно-биологические работы на чистых культурах дополняются геномикой: прочтением полных геномов чистых культур (SAG) и прочтением метагеномов из сульфидных источников с последующей сборкой геномов сероокисляющих бактерий из метагеномов (MAG). В настоящее время исследования ведутся в рамках гранта РНФ «Геномика и физиология нитчатых бесцветных серобактерий», направленного на прояснение метаболического потенциала, филогении и экологии бактерий из рода Thiothrix. Для идентификации видов рода Thiothrix отсутствуют надежные филогенетические маркеры, а классический ген 16S рРНК не является информативным. В связи с этим остро стоит проблема филогенетического анализа этого рода с привлечением полногеномных данных. В настоящем проекте решаются проблемы филогеномики рода Thiothrix путем сборки геномов высокого качества (с полнотой более 95%) из метагеномов и определения последовательности полных геномов новых чистых культур. Анализ геномов позволит расшифровать пути метаболизма и построить филогению рода Thiothrix . Одновременно усилия будут направлены на изучение неописанных культур БСБ, имеющихся в нашей коллекции, выделение новых чистых культур и верификации геномных данных в физиологических и биохимических экспериментах. Для исследуемых бактерий будет разработана схема окисления соединений серы, выявлены пути автотрофной ассимиляции СО2 и пути восстановления нитратов при анаэробном дыхании. Поскольку представители рода Thiothrix являются одной из доминирующих групп микроорганизмов в сульфидных источниках, получение метагеномов данных сообществ, сборка MAG, получение новых чистых культур и изучение их метаболизма внесут значительный вклад в понимание роли этой группы бактерий в подобных биотопах.

Физиология растений

Сегодня физиология растений – это не просто изучение функционирования растительного организма в различных условиях, это сложные исследования метаболизма растительной клетки на стыке биохимии, физиологии и молекулярной биологии. Сотрудники кафедры изучают механизмы адаптивной реакции растений разных экологических групп, обладающих разным типом фотосинтеза, к неблагоприятным условиям среды – гипоксии, засолению. Интенсивные исследования роли глиоксилатного цикла и цикла трикарбоновых кислот в приспособлении растений к внешним факторам выявили универсальную роль в этом процессе глиоксилатного цикла. В связи с этим проводятся исследования по идентификации и изучению экспрессии генов ферментов цикла Кребса и глиоксилатного пути у растений. Важное место в данном направлении занимают работы по выяснению молекулярных и эпигенетических механизмов световой регуляции функционирования ферментов растительного организма, изучение внутриклеточных путей передачи и реализации сигнала посредством вторичных внутриклеточных мессенжеров фоторецепторного сигнала и внутриядерных транскрипционных факторов, а также выяснение эпигенетических механизмов, обеспечивающих дифференциальную экспрессию генов ферментов окислительного метаболизма в онтогенезе растений и при адаптивной реакции к стрессовым факторам. Также уделяется большое внимание метаболизму малата в растительной клетке. Ферменты малатдегидрогеназной ферментной системы – оксидоредуктазные малатдегидрогеназы и декарбоксилирующие малик-энзимы обеспечивают координацию центральных метаболических путей у растений, т.к. катализируют реакции превращения малата в цикле Кребса, в темновой фазе фотосинтеза (цикл Хетча-Слейка у С4-растений), а также обеспечивают ряд анаплеротических реакций, направленных на поддержание гомеостаза в модифицированных условиях среды. Биохимический, электрофоретический и экспрессионный анализ стресс-индуцированных изменений в работе энзимов МДГ-системы даёт возможность заключить, что при засолении у С4-растений работа малатдегидрогеназ и малик-энзимов мезофилла направлена на компенсации стрессового воздействия, а клеток обкладки – на работу в как можно более автономном режиме. Предполагается, что стресс вызывает торможение мезофильной ветви цикла Хетча-Слейка и поставки малата клетками мезофилла в клетки обкладки, в тоже время компенсация недостатка эндогенного углекислого газа и НАДФН для обеспечения безперебойной работы цикла Кальвина идет за счёт анаплеротических реакций, катализируемых ферментами МДГ-системы.

Экспериментальный диабет

На кафедре проводятся исследования изменения скорости функционирования ферментов углеводного обмена у животных в норме и при патологиях. Экспериментальные модели сахарного диабета позволяют получить ценные сведения не только для понимания патофизиологии заболевания, но и механизма антидиабетического действия различных фитопрепаратов с целью их направленного применения. Для моделирования гипергликемии, обусловленной абсолютной недостаточностью инсулина в организме, и других нарушений метаболизма, характерных для сахарного диабета 1 типа, на нашей кафедре используют разрушение β-клеток островков Лангерганса таким химическим соединением, как аллоксан. Внутрибрюшинное введение 5%-го раствора данного препарата приводит к стойкому увеличению концентрации глюкозы в крови на протяжении всего времени эксперимента. Доказано, что изменения метаболизма углеводов, липидов и липопротеинов в печени крыс на фоне сахарного диабета связаны с активацией глиоксилатного цикла. Так, в образцах печени животных с аллоксановым диабетом была обнаружена активность маркерного фермента глиоксилатного цикла - изоцитратлиазы и увеличении активности основных ферментов ЦТК. Данный факт имеет значение при изучении трансформации функционирования основных метаболических путей и индукции такого механизма адаптации, как глюконеогенез. Выявлено увеличение активности и появление новой изоформы НАД-зависимой малатдегидрогеназы (МДГ) в печени крыс при аллоксановом диабете. Тогда как лактатдегидрогеназа (ЛДГ) в гепатоцитах крыс с диабетом, наоборот, ингибируется, что связано с исчезновением одной из форм фермента. Интересно, что усиление скорости функционирования сукцинатдегидрогеназы в данных условиях не связано с изоферментным составом. Изучается их генетическая детерминация. Показано, что изменение активности и/или изоферментного состава МДГ, ЛДГ, СДГ и некоторых других энзимов коррелирует со скоростью транскрипции кодирующих их генов. Выяснение механизма изменения скорости работы маркерных и ключевых ферментов углеводного метаболизма открывает перспективы для разработки модели адаптивной реакции клеточного метаболизма, включающей «ферментативную» оборону, что обеспечивает адаптацию организма к сахарному диабету. В последние десятилетия возрос интерес диабетологов к изучению биологических свойств лекарственных растений. В литературе подчеркивается терапевтическое влияние растительных препаратов не только на регуляцию углеводного, но и липидного обмена, водного баланса, функциональную деятельность почек и печени, на поддержание энергетического статуса организма и противодействие окислительному стрессу. С учетом вышеизложенного на кафедре биохимии и физиологии клетки в последние несколько лет активно проводятся исследования влияния различных растительных экстрактов на уровень глюкозы в крови диабетических животных. Результаты наших экспериментов показали, что при курсовом пероральном введении крысам с аллоксановым диабетом водных экстрактов грецкого ореха (Juglans regia), оливы европейской (Olea europaea), топинамбура (Helianthus tuberosus), цикория обыкновенного (Cichorium intybus), шиповника собачьего (Rosa canina),полыни горькой (Artemísia absínthium) наблюдается выраженное гипогликемическое действие, кроме того, данные экстракты обладают энергопротективной активностью без видимых побочных эффектов.

Медицинская биохимия

Что может быть интереснее изучения структуры и свойств химических элементов, основ клеточной регуляции живых организмов, исследования жизнедеятельности микробов и многоклеточных организмов? Если вам интересно все это, то можно остановить свой выбор на такой профессии, как медицинская биохимия (код специальности 30.05.01). В 2016 году данное направление было открыто на базе медико-биологического факультета Воронежского государственного университета. Студенты, решившие стать врачами-биохимиками, специализируются в том числе и на нашей кафедре. Помимо учебы они активно занимаются научными исследованиями в области медицины. В частности, изучают функционирование углеводного метаболизма при таких патологиях, как диабет и гепатит. На настоящий момент показано, что у крыс с данными заболеваниями изменяется активность и изоферментный состав большинства ферментов цикла Кребса, причем регулируются изменения на молекулярном уровне. Также доказано, что у животных с экспериментальным диабетом индуцируется глюконеогенез. После окончания медицинского факультета по биохимии (срок обучения составляет 6 лет) квалификация будущего специалиста позволит участвовать в постановке клинического диагноза и отслеживать адекватность и результаты лечения. Кроме того, сфера занятости человека может охватывать изучение деятельности вирусов и бактерий. Также специалист может выбрать исследовательскую сферу деятельности, изучать молекулярно-генетические аспекты развития патологий, разрабатывать новые методы диагностики и лечения и внедрять их в широкую клиническую практику.

Image