|
УДК 577.1
© Панов В.П., Якунина Е.С. Биохимия. Конспект лекций. М., МГТА, 2004.
Рекомендовано Институтом информации образования РАО
В конспекте лекций доктора химических наук профессора В.П. Панова, кандидата химических наук доцента Е.С. Якуниной, в кратком и систематическом виде изложены краткие теоретические сведения и подробные описания хода проведения лабораторных работ по биохимии. В биохимию студента вводят основополагающие принципы молекулярной логики жизни. Даётся оригинальный материал по биологическим мембранам и клеточному транспорту, процедурам гормональной регуляции, молекулярной генетике, генетической инженерии.
Практикум предназначен для студентов 2, 3, 4 курсов технологических специальностей, всех форм обучения.
Авторы: Панов Валерий Петрович
Якунина Елена Сергеевна
Рецензенты: профессор кафедры биохимии медико - биологического
факультета Российского государственного медицинского
университета доктор биологических наук, А.В. Карякин,
директор Института питания РАМН, академик РАМН,
профессор В.А. Тутельян.
Редактор: Свешникова Н.И.
© Московский государственный университет технологий и управления, 2004
109004, Москва, Земляной Вал, 73
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Стр.
Тема 1. Аминокислоты и пептиды ____________________________________ 5
1.1. Пептиды ______________________________________________________ 9
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 9
Тестовые вопросы _________________________________________________ 10
Тема 2. Введение в белки ____________________________________________ 10
Вопросы для самоконтроля __________________________________________14
Тестовые вопросы _________________________________________________ 14
Тема 3. Пространственная структура белков ____________________________15
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 17
Тестовые вопросы __________________________________________________18
Тема 4. Введение в ферменты ________________________________________ 18
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 21
Тестовые вопросы __________________________________________________ 22
Тема 5. Липиды ____________________________________________________ 22
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 26
Тестовые вопросы __________________________________________________ 26
Тема 6. Витамины __________________________________________________ 27
6.1. Водо-растворимые витамины ____________________________________ 27
6.2. Жирорастворимые витамины _____________________________________ 29
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 30
Тестовые вопросы __________________________________________________ 30
Тема 7. Биомембраны и транспорт ____________________________________ 30
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 33
Тестовые вопросы __________________________________________________ 33
Тема 8. Углеводы __________________________________________________ 33
8.1. Моносахариды _________________________________________________ 34
8.2. Дисахариды ____________________________________________________37
8.3. Полисахариды __________________________________________________38
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 38
Тестовые вопросы __________________________________________________ 39
Тема 9. Нукелеотиды и нуклеиновые кислоты __________________________ 39
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 42
Тестовые вопросы __________________________________________________ 42
Тема 10. Принципы биоэнергетики ____________________________________43
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 46
Тестовые вопросы __________________________________________________ 46
Тема 13. Метаболизм липидов ________________________________________47
13.1. - окисление насыщенных жирных кислот _______________________ 48
13.2. Метаболизм полинасыщенных жирных кислот _____________________ 49
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 50
Тестовые вопросы __________________________________________________50
Тема 14. Обмен белков ______________________________________________ 51
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 52
Тестовые вопросы __________________________________________________ 52
Тема 15. Гормональная регуляция _____________________________________52
Вопросы для самоконтроля __________________________________________ 55
Тестовые вопросы __________________________________________________ 55
Тема 16. Введение в молекулярную генетику ___________________________ 56
Тестовые вопросы __________________________________________________58
Тестовые вопросы по дисциплине _____________________________________58
Список рекомендуемой литературы ___________________________________ 61
ТЕМА 1. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
Все белки, независимо от того принадлежат ли они древним линиям бактерий или наиболее сложным формам жизни, сконструированы из одних и тех же субъединиц - 20 аминокислот, ковалентно связанных в характеристичные линейные последовательности. Из этих строительных блоков различные организмы могут изготовить ферменты, гормоны, антитела, линзы глаз, рога, антибиотики, яды грибов и мириады других веществ с ярко выраженной биологической активностью. Первой аминокислотой, открытой в белках в 1806г. был аспарагин, последняя из 20 аминокислот - треонин была найдена в 1938г. Все 20 аминокислот, найденные в белках, имеют карбоксильную группу и аминогруппу, присоединенные к Сa
- атому углерода.
аминокислота глицин
Во всех аминокислотах, за исключением глицина, Сa
- атом хирален, все аминокислоты (кроме глицина) оптически активны. Аминокислоты являются L-стереоизомерами. т.е. вращают плоскополяризованный свет влево.
L-аланин D-аланин
Свойства аминокислот
| L
|
Аббревиатура
|
М
|
рК1
(-СООН)
|
рК2
(-
|
Доля в белках, %
|
|
| Неполярные алифатические
|
||||||
| Глицин |
Gly |
G |
75 |
2,34 |
9,60 |
7,5 |
| Аланин |
Ala |
A |
89 |
2,34 |
9,69 |
9,0 |
| Валин |
Val |
V |
117 |
2,32 |
9,62 |
6,9 |
| Лейцин |
Leu |
L |
131 |
2,36 |
9,60 |
7,5 |
| Изолейцин |
Ile |
I |
131 |
2,36 |
9,68 |
4,6 |
| Пролин |
Pro |
P |
115 |
1,99 |
10,96 |
4,6 |
| Ароматические
|
||||||
| Фенилаланин |
Phe |
F |
165 |
1,83 |
9,13 |
3,5 |
| Тирозин |
Tyr |
Y |
181 |
2,20 |
9,11 |
3,5 |
| Триптофан |
Trp |
W |
204 |
2,38 |
9,39 |
1,1 |
| Полярные незаряженные
|
||||||
| Серин |
Ser |
S |
105 |
2,21 |
9,15 |
7,1 |
| Треонин |
Thr |
T |
119 |
2,11 |
9,62 |
6,0 |
| Цистеин |
Cys |
C |
121 |
1,96 |
8,18 |
2,8 |
| Метионин |
Met |
M |
149 |
2,28 |
9,21 |
1,7 |
| Аспарагин |
Asn |
N |
132 |
2,02 |
8,80 |
4,4 |
| Глутамин |
Gln |
Q |
146 |
2,17 |
9,13 |
3,9 |
| Отрицательно заряженные
|
||||||
| Аспартат |
Asp |
D |
133 |
1,88 |
9,60 |
5,5 |
| Глутамат |
Glu |
E |
147 |
2,19 |
9,67 |
6,2 |
| Положительно заряженные
|
||||||
| Лизин |
Lys |
K |
146 |
2,18 |
8,95 |
7,0 |
| Аргинин |
Arg |
R |
174 |
2,17 |
9,04 |
4,7 |
| Гистидин |
His |
H |
155 |
1,82 |
9,17 |
2,1 |
Аминокислоты в водном растворе ионизованы и могут действовать как кислоты или основания. Знание кислотно-основных свойств аминокислот чрезвычайно важно для понимания физико-химических и биологических свойств белков. Способы разделения, идентификации и количественного определения аминокислот, что является необходимой стадией определения аминокислотного состава и аминокислотной последовательности в белках, также основаны на характеристиках их кислотно-основного поведения. Аминокислоты, имеющие одну амино- и одну карбоксильную группы, кристаллизуются из нейтральных водных растворов в полностью ионизованных формах, называемых цвиттерионами
, имеющими как положительный, так и отрицательный заряды.
Аминокислоты с неполярными алифатическими
R
-группами
глицин аланин валин
лейцин изолейцин пролин
Аминокислоты с ароматическими
R
-группами
фенилаланин тирозин триптофан
Аминокислоты с полярными незаряженными R-группами
серин треонин цистеин
метионин аспарагин глутамин
Аминокислоты с положительно заряженными
R
-группами
лизин аргинин гистидин
Аминокислоты с отрицательно заряженными
R
-группами
аспартат глутамат
Триптофан, тирозин и в меньшей степени фенилаланин поглощают в ультрафиолетовом свете. Аспарагин и глутамин являются амидами двух других аминокисдот: аспартата и глутамата. Цистеин легко окисляется с образованием ковалентно связанной димерной аминокислоты, называемой цистином, в котором две цистеиновые молекулы соединены дисульфидным мостиком. Дисульфидные мостики встречаются во многих белках, стабилизируя их структуру.
В дополнение к стандартному набору из 20 аминокислот найдены другие аминокислоты, как компоненты ограниченных типов белков, они образуются в белках путем модификации стандартных аминокислот. Нестандартными аминокислотами являются: 4-гидроксипролин, 5-гидроксилизин, N-метил-лизин, селеноцистеин, орнитин и другие. Аминокислоты могут действовать как кислоты
и как основания
.
Ионообменная хроматография наиболее широко распространенный метод разделения, идентификации и количественного определения аминокислот в смеси. Эта техника основана на различии зарядов и величин зарядов аминокислот при заданном значении рН и следовательно различной аффинности каждой аминокислоты к ионообменной смоле. Наиболее развитыми методами аминокислотного анализа являются автоматический аминокислотный анализ и высокоэффективная жидкостная хроматография (жидкостная хроматография высокого давления, ЖХВД).
0 5 10 15 20 25 30 35
Аминограмма
Время, мин.
1.1. Пептиды.
Две аминокислоты могут ковалентно соединяться посредством пептидной
связи с образованием дипептида.
Три аминокислоты могут соединяться посредством двух пептидных связей с образованием трипептида. Несколько аминокислот образуют олигопептиды, большое число аминокислот - полипептиды. Пептиды содержат только одну a-аминогруппу и одну a-карбоксильную группу. Эти группы могут быть ионизованы при определенных значениях рН. Подобно аминокислотам они имеют характеристические кривые титрования и изоэлектрические точки, при которых они не двигаются в электрическом поле.
Подобно другим органическим соединениям пептиды участвуют в химических реакциях, которые определяются наличием функциональных групп: свободной аминогруппой, свободной карбоксигруппой и R-группами. Пептидные связи подвержены гидролизу сильной кислотой (например, 6М НС1) или сильным основанием с образованием аминокислот. Гидролиз пептидных связей - это необходимый этап в определении аминокислотного состава белков. Пептидные связи могут быть разрушены действием ферментов протеаз
.
Многие пептиды, встречающиеся в природе, имеют биологическую активность при очень низких концентрациях.
Пептиды - потенциально активные фармацевтические препараты, есть три способа
их получения:
1) выделение из органов и тканей;
2) генетическая инженерия;
3) прямой химический синтез.
В последнем случае высокие требования предъявляются к выходу продуктов на всех промежуточных стадиях.
Вопросы для самоконтроля
1. Связь между структурой и свойствами аминокислот.
2. В какой форме присутствуют молекулы L-аланина в изоэлектрической точке?
3. Сколько хиральных центров имеет L-изолейцин?
4. Сравните величины рКа
аминокислоты и ее пептидов.
5. Методы получения пептидов.
Тестовые вопросы
1. Какой связью соединяются остатки аминокислот в белковой молекуле?
а) пептидной;
б) водородной;
в) сложноэфирной.
2. Как классифицируют аминокислоты?
а) по количеству аминных и карбоксильных групп;
б) по химическому строению боковой цепи;
в) по количеству SH – групп.
3. Сколько незаменимых аминокислот известно?
а) 8;
б) 5;
в) 4;
г) 3.
4. Какие белки называют полноценными?
а) состоящие из углеводов;
б) состоящие из восьми незаменимых аминокислот;
в) состоящие из трёх витаминов.
5. Какие аминокислоты относятся к заменимым?
а) могут синтезироваться в организме человека;
б) не могут синтезироваться в организме человека;
в) могут частично синтезироваться.
ТЕМА
2. ВВЕДЕНИЕ В БЕЛКИ
Почти все что происходит в клетке включает в свое действие один или несколько белков. Белки формируют структуру, катализируют реакции в клетке, а также выполняют множество других задач. Их центральное место в клетке отражено в том факте, что выражением генетической информации выступает белок. Для каждого белка существует сегмент ДНК (ген
), который кодирует информацию, специфическую для его аминокислотной последовательности. В типичной клетке присутствуют тысячи различных видов белков, каждый из которых геном, и несет специфическую функцию. Белки в отличие от других биологических макромолекул имеют чрезвычайно разносторонние функции.
Белки имеют множество различных биологических функций, их часто классифицируют в соответствии с их биологической ролью.
Ферменты
.
Это, как правило, белки, обладающие каталитической активностью. Большинство химических реакций органических биологических молекул в клетках катализируются ферментами. Многие тысячи различных ферментов, каждый из которых в состоянии катализировать определенный тип химической реакции, открыты в различных организмах.
Транспортные белки
.
Транспортные белки в плазме крови связывают и переносят определенные молекулы или ионы от одного органа к другому. Гемоглобин эритроцитов связывает кислород, когда кровь проходит через легкие, и переносит его в периферические органы, где происходит окисление продуктов питания. В плазме содержатся липопротеиды, которые переносят липиды от печени к другим органам. Другие типы транспортных белков представлены в плазматических мембранах, внутриклеточных мембранах всех живых организмов. Они связывают глюкозу, аминокислоты и другие вещества и транспортируют их сквозь мембраны.
Питательные белки и белки запаса
.
Семена многих растений содержат питательные белки, необходимые для прорастания саженцев. Овальбумин (основной белок яичного белка), казеин (основной белок молока) являются наиболее известными примерами питательных белков. Ферритин, найденный в некоторых бактериях, а также в растениях и тканях животных, является хранителем ионов железа.
Сокращающиеся или подвижные белки
.
Некоторые белки способны изменять форму, или склонны к перемещению в пространстве. Актин и миозин функционируют в сокращающихся системах скелетных мышц, а также во многих немышечных клетках. Тубулин - это белок, из которого построены микротубулы, участвующие в движении клеток.
Структурные белки
.
Многие белки служат для формирования нитей, пластинок, чтобы придать биологическим структурам прочность, усилить их защитные свойства. Основным компонентом сухожилия является фибринный белок коллаген. Волос содержит нерастворимый белок кератин. Основным компонентом шелка, нитей паука является белок фиброин. Эластичность крыльев насекомых обусловлена белком резилином.
Защитные белки
.
Многие белки защищают организмы от вторжения (инвазии
) других видов или защищают их от повреждения. Иммуноглобулины или антитела это - белки, продуцируемые лимфоцитами позвоночных животных, которые способны распознать и нейтрализовать инвазивные бактерии, вирусы или чужеродные белки других видов. Фибриноген и тромбин являются белками свертывающей системы крови, они предохраняют организм от потери крови, когда нарушена целостность сосудистой системы.
Регуляторные белки
.
Некоторые белки помогают регулировать клеточную или физиологическую активность. К ним относятся прежде всего гормоны. Примерами гормонов служат инсулин, который регулирует метаболизм углеводов, гормон роста, тиреоидин, окситацин и т.д. Иные регуляторные белки связываются с ДНК и регулируют синтез белков и РНК.
Другие белки
.
Существуют белки, чьи функции достаточно экзотичны и их не так легко классифицировать. В плазме крови некоторых антарктических рыб содержатся антифризные белки, которые защищают их кровь от замораживания.
Несмотря на экстраординарность всех этих групп белков, существенное различие их свойств и функций, все они построены из 20 аминокислот.
Белки - это высокомолекулярные соединения с числом аминокислотных остатков от 50 до нескольких тысяч.
Молекулярные параметры некоторых белков
.
| Белок
|
Молекулярная масса
|
Число остатков
|
Число полипептидных цепей
|
| Инсулин (говяжий
|
5733 |
51 |
2 |
| Цитохром C (человека
|
13000 |
104 |
1 |
| Рибонуклеаза А (говяжья
|
13700 |
124 |
1 |
| Лизоцим (яичного белка
|
13930 |
129 |
1 |
| Миоглобин (конский
|
16890 |
153 |
1 |
| Химотрипсин (говяжий
|
21600 |
241 |
3 |
| Химотрипсиноген (говяжий
|
22000 |
245 |
1 |
| Гемоглобин (человека
|
64500 |
574 |
4 |
| Альбумин (человека
|
68500 |
550 |
1 |
| Иммуноглобулин G (человека
|
145000 |
1320 |
4 |
| РНК-полимераза (Е. коли
|
450000 |
4100 |
5 |
| Аполипопротеин В (человека
|
513000 |
4536 |
1 |
| Глютамат дегидрогеназа (говяжья печень
|
1000000 |
8300 |
40 |
Некоторые белки состоят из одной полипептидной цепи, другие имеют две и более цепи. Индивидуальные цепи в мультисубъединичных белках могут быть идентичными или различными.
Можно вычислить приближенное число аминокислотных остатков в простом белке, если разделить его молекулярную массу на 110. Усредненная величина молекулярной массы для 20 аминокислот составляет около 138, однако более малые аминокислоты доминируют в большинстве белков.
Белки имеют характеристичный аминокислотный состав. Некоторые белки содержат помимо аминокислот другие химические компоненты, обычно называемых конъюгированными белками. Неаминокислотная часть этих белков носит название простетической
группы. Ряд белков содержит более чем одну простетическую группу, они играют важную роль в биологической функции белка.
Комплексные белки
| Класс
|
Простетическая группа
|
Пример
|
| Линопротеины |
Липиды |
Липопротеин крови |
| Гликопротеины |
Углеводы |
Иммуноглобулин G |
| Фосфопротеины |
Фосфатные группы |
Казеин молока |
| Гемопротеины |
Гем (железопорфирин) |
Гемоглобин |
| Флавопротеины |
Флавин нуклеотиды |
Сукцинатдегидрогеназа |
| Металлопротеины |
Железо |
Ферритин |
| Цинк |
Алкогольдегидрогеназа |
|
| Кальций |
Калмодулин |
|
| Молибден |
Динитрогеназа |
|
| Медь |
Пластоцианин |
Клетка содержит тысячи различных типов белков. Выделение индивидуальных белков важно для изучения их состава, свойств, установления аминокислотной последовательности. Существует множество методов выделения и очистки белков, установления их состава, строения, структуры, свойств.
Методы очистки гипотетического фермента
.
| Процедура
|
Объем фракции, мл |
Общий белок, мг |
Активность, ЕД |
Удельная активность, ЕД/мг |
| 1. Грубая клеточная экстракция |
1400 |
10000 |
100000 |
10 |
| 2. Осаждение |
280 |
3000 |
96000 |
32 |
| 3. Ионообменная хроматография |
90 |
400 |
80000 |
200 |
| 4. Эксклюзионная хроматография |
80 |
100 |
60000 |
600 |
| 5. Аффинная хроматография |
6 |
3 |
45000 |
15000 |
Наряду с хроматографией другим важным методом, пригодным для разделения белков, является электрофорез, основанный на перемещении заряженных белков в электрическом поле.
Электрофоретическая подвижность белка (m
) пропорциональна заряду молекулы, Z
, деленному на коэффициент трения, f
, т. е. m
= Z
/
f
,
причем коэффициент трения связан с молекулярной массой и формой биополимера.
Для определения изоэлектрической точки (р
I
) белка используют метод изоэлектрического фокусирования. Градиент рН устанавливают с помощью смеси низкомолекулярных органических кислот и оснований.
Изоэлектрические точки некоторых белков
| Белок
|
р
|
| Пепсин |
1,0 |
| Яичный альбумин |
4,6 |
| Сывороточный альбумин |
4,9 |
| Уреаза |
5,0 |
| b-Лактоглобулин |
5,2 |
| Гемоглобин |
6,8 |
| Миоглобин |
7,0 |
| Химотрипсиноген |
9,5 |
| Цитохром С |
10,7 |
| Лизоцин |
11,0 |
Взаимодействие антитело-антиген используют для качественного определения белков, установления места их локализации. Антитела есть Y
-образные белки (иммуноглобулины), состоящие из 4 полипептидных цепей. .При этом в процедуре определения могут быть использованы как поликлональные, так и моноклональные антитела, последние синтезируются популяцией идентичных антител (клон
). Моноклональные тела столь специфичны, что могут различить два белка, отличающихся только одной аминокислотой.
Функция белка зависит от его аминокислотной последовательности, называемой первичной структурой белка. Человек производит до 40000 различных белков, каждый тип белка имеет уникальную структуру. В человеческой популяции аминокислотная последовательность белков не строго фиксирована, имеются некоторые вариации в составе, которые практически не оказывают влияние на функции белка.
Существует ряд приемов определения аминокислотной последовательности белка, наиболее распространен метод Эдмана - пошаговой деградации белка (секвинация
). Большие белки предварительно разделяют на малые фрагменты (разрушение дисульфидных связей, направленная фрагментация полипептидной цепи).
Аминокислотная последовательность может быть выведена, если известна последовательность ДНК.
Вопросы для самоконтроля
1. Молекулярные массы белков крови.
2. Размеры молекул белков.
3. Чем определяется суммарный электрический заряд молекул белков?
4. Изоэлектрические точки наиболее распространенных белков.
5. Методы очистки белков.
6. Определение аминокислотной последовательности белков.
Тестовые вопросы
1. Какая связь формирует вторичную структуру белков.
а) водородная связь;
б) ковалентная связь;
в) сложноэфирная;
г) пептидная связь.
2. Какие факторы приводят к денатурации белков?
а) tºС;
б) гидролиз;
в) добавление NaCl.
3. Что такое простетическая группа белка?
а) небелковая часть;
б) белковая часть;
в) SH – группы;
г) минеральные вещества.
4. К каким белкам относятся альбумины?
а) к протеидам;
б) к протеинам;
в) к простетической группе.
5. Что такое нативная конформация белка?
а) природное состояние белка;
б) выпавший в осадок белок;
в) закристализованный.
ТЕМА 3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ
Ковалентный скелет белков состоит из сотен индивидуальных связей. Если было бы возможно свободное вращение вокруг даже части этих связей, белки имели бы почти безграничное число трехмерных структур. Однако каждый белок имеет специфическую функцию, что предполагает для него уникальную пространственную структуру. Тот факт, что белки кристаллизуются, дает убедительное доказательство наличия таких структур. Строгий молекулярный порядок в кристалле может быть реализован в том случае, если все молекулы имеют идентичную форму в кристалле. Фермент уреаза с ММ 483кДа был среди первых закристаллизованных белков.
Пространственное расположение атомов в молекуле белка называют его конформацией
. Изменения конформации встречаются при вращении вокруг одинарных связей без их разрушения. В белках реализуются четыре уровня
архитектуры.
Первичная структура
связана с ковалентными связями между аминокислотными остатками (аминокислотная последовательность). Относительное пространственное расположение связанных аминокислот не является специфичным. Полипептидные цепи не могут иметь любые пространственные структуры по выбору. Стерические ограничения, а также множество слабых невалентных взаимодействий приводят к тому, что отдельные пространственные формы более устойчивы чем остальные.
Вторичная структура
относится к регулярным расположениям соседних аминокислотных остатков в полипептидной цепи (регулярные конформации). Для вторичной структуры полипептидных цепей наиболее характерны a
-
спираль
и b
-
конформация
.
Третичная структура
относится к пространственному расположению всех аминокислот полипептида. Связь между вторичной и третичной структурой в настоящее время не достаточно ясна. Несколько различных типов вторичной структуры часто обнаруживаются в третичной структуре большого белка.
Белки с несколькими пептидными цепями имеют еще один более высокий уровень организации: четвертичную структуру
, которая относится к пространственному расположению полипептидных цепей или субъединиц в белке. Можно выделить промежуточные уровни между вторичной и третичной структурой. Устойчивый кластер из нескольких элементов вторичной структуры относят к супервторичной
структуре. Еще более высокий уровень структуры представляет домен
. Его относят к компактной структуре, включающей возможно от 40 до 400 аминокислот, домен представляет отчетливую единицу в большой полипептидной цепи. Многие домены складываются независимо в термодинамически устойчивые структуры. Большая полипептидная цепь может содержать несколько доменов, которые легко различимы. В некоторых случаях индивидуальные домены имеют отдельные функции.
Конформация белка стабилизируется большим числом слабых невалентных взаимодействий. Устойчивость нативной конформации белка невелика, так разность в свободной энергии сложенных и несложенных состояний в типичных белках в физиологических условиях находится в интервале от 20 до 65 кДж/моль. Энтропия и водородное связывание многих групп полипептидной цепи с растворителем (водой) приводят к раскрытым формам. К складчатым формам приводят химические взаимодействия в виде дисульфидных мостиков, а также невалентные взаимодействия: водородные связи, гидрофобные, ионные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия.
Наиболее общей вторичной структурой белков является a-спираль. В этой структуре полипептидный остов закручен относительно длинный оси молекулы, а R-группы аминокислотных остатков расположены с внешней стороны спирали. Шаг спирали составляет 0.56 нм. Вторым типом регулярной структуры в белках является b-конформация, которая способствует укладыванию полипептидных цепей в слои, при этом возможно как параллельное, так и антипараллельное расположение цепей. В некоторых белках (например в коллагене) помимо этих регулярных конформаций встречаются и другие типы вторичной структуры: b-складка и b-виток. Хотя фибриллярные белки имеют только один тип вторичной структуры, глобулярные белки могут включать несколько типов вторичной структуры для одной молекулы. Глобулярные белки, включая ферменты, транспортные белки, некоторые гормоны и иммуноглобулины, образуют складчатые структуры, более компактные чем a- и b- конформации.
Третичная структура представляет трехмерное расположение всех атомов в белке, она имеет дело с дальнодействующими взаимодействиями аминокислотных остатков. Свиной альбумин имеет 584 остатка в одной цепи.
Ниже показаны относительные размеры цепи в b-конформации, в форме a-спирали и нативной глобулярной форме.
b
-
конформация
: 200 х 0.5 нм
a
-
спираль
: 90 х 1.1 нм нативная глобулярная форма
: 13х3 нм
Пространственное расположение атомов в кристаллической решетке белка определяют методом рентгеноструктурного анализа исходя из углов и интенсивности дифракций от электронных оболочек атомов. К настоящему времени этим методом установлены третичные структуры сотен глобулярных белков (миоглобин, инсулин, цитохром с, лизоцим, рибонуклеаза и т.д.).
Доля
a
-спиралей
и
b
-форм
в некоторых белках
.
| Белок
( число остатков )
|
Остатки, %
|
|
| a
|
b
|
|
| Миоглобин (153) |
78 |
0 |
| Цитохром с (104) |
39 |
0 |
| Лизоцим (129) |
40 |
12 |
| Рибонуклеаза (124) |
26 |
35 |
| Химотрипсин (247) |
14 |
45 |
| Карбоксипептидаза (307) |
38 |
17 |
Белки могут денатурировать при нагревании, резком изменении рН, обработке органическими растворителями, солями тяжелых металлов с разрушением третичной структуры и потерей функциональной активности.
Третичные структуры не являются жесткими, в процессе синтеза белка они формируются достаточно быстро, не случайным образом. Существует несколько типов третичных структур достаточно общих для многих белков (a/b баррел
, b-b сэндвич
и другие).
Некоторые белки содержат две и более отдельные пептидные цепи, которые могут быть идентичны или различны по структуре. Пространственное расположение белков и его субъединиц в трехмерном комплексе представляет четвертичную структуру, которую определяют на практике методом рентгеноструктурного анализа монокристалла белка. Таким образом установлена четвертичная структура гемоглобина, который содержит четыре полипептидные цепи и четыре гемпростетические группы.
Некоторые белки образуют надмолекулярные комплексы, которые сохраняют принципы, присущие всем уровням организаций белков. Из этих надмолекулярных комплексов построены биологические машины, осуществляющие функционирование клетки (сокращение мышц, синтез белков в рибосомах, упаковка ДНК, перемещение органелл и т.д.).
Вопросы для самоконтроля
1. Свойства пептидной связи.
2. Влияние рН на конформационную структуру белков.
3. Роль дисульфидных связей.
4. Чем определяется термическая устойчивость нативной структуры белков?
5. Локализация специфических аминокислот на поверхности глобулярных белков.
6. Чем определяется молекулярная масса гемоглобина?
Тестовые вопросы
1. Перечислите основные уровни организации белковой молекулы? И приведите конкретные примеры.
а) 4 уровня;
б) 5 уровней;
в) 6 уровней;
г) 1 уровень.
2. Какие вещества являются мономерами белков?
а) аминокилоты;
б) углеводы;
в) жиры;
г) витамины.
3. Какую функцию выполняют транспортные белки?
а) переносят аминокислоты, молекулы, ионы;
б) питательную функцию;
в) защитную;
г) структурную.
4. И.Э.Т. белка рН – 4,8. Какие аминокилоты преобладают в составе?
а) моноаминомонокарбоновые;
б) диаминомонокарбоновые;
в) моноаминодикарбоновые.
5. Какие виды гидролиза белка известны?
а) кислотные;
б) щелочной;
в) ферментативный.
ТЕМА
4. ВВЕДЕНИЕ В ФЕРМЕНТЫ
Ферменты есть катализаторы реакций в биологических системах. Они обладают чрезвычайно высокой каталитической активностью, они имеют высокую специфичность к своим субстратам, они ускоряют строго определенные химические реакции, они функционируют в водных растворах в мягких условиях температуры и рН. Ферменты - это один из ключей понимания функционирования и размножения клеток. Действуя в организованных последовательностях, они катализируют последовательно сотни реакций по пути метаболизма, при этом молекулы питательных веществ деградируют, накапливается химическая энергия, она трансформируется в другие формы, из простых молекул синтезируются биологические макромолекулы. Некоторые из этого множества ферментов, принимающих участие в метаболизме, служат регуляторными ферментами, которые дают ответ на различные сигналы метаболизма, изменяя соответственно свою каталитическую активность. Благодаря действию регуляторных ферментов, энзиматические системы высоко скоординированы и приводят к гармоничному взаимодействию множества метаболических процессов, необходимых для поддержания Жизни. Изучение ферментов также имеет исключительную практическую значимость. Некоторые заболевания, особенно наследственные генетические расстройства, приводят к дефициту или полному отсутствию одного или нескольких ферментов в органах и тканях. Неестественные условия функционирования также могут вызвать исключительную активность какого-то специфичного фермента. Измерения активности определенных ферментов в плазме крови, эритроцитах, в образцах тканей позволяют диагностировать заболевания. Ферменты стали важными инструментами не только в медицине, но и в химической промышленности, при производстве продуктов питания, в сельском хозяйстве. Мы сталкиваемся с ферментами в каждодневной жизни, будь то приготовление пищи, чистка одежды, уборка помещения.
История биохимии в значительной части связана с историей изучения ферментов. Биологический катализ был открыт в начале 18 века. В 1850г. Луи Пастер пришел к заключению, что превращение сахара в спирт под действием дрожжей катализируется ферментами. Он постулировал, что эти ферменты, названные позже энзимами
, неотделимы от структуры дрожжевых клеток, эта точка зрения превалировала в научном мире в течение многих лет. В 1897г. Эдвард Бюхнер открыл способность дрожжевых экстрактов преобразовывать сахар в спирт, т.е. ферменты без потери активности могут быть отделены от живых клеток. С этого момента биохимиками выделены и очищены многие тысячи различных ферментов, исследованы их каталитические свойства.
Большинство ферментов, за исключением небольшой группы молекул каталитических РНК, представляют собой белки. Их каталитическая активность зависит от целостности их нативной структуры. Если фермент денатурирует или диссоциирует на субъединицы, каталитическая активность теряется. Разрушение фермента до аминокислот, также сопровождается потерей каталитической активности. Таким образом первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых ферментов существенны для их каталитической активности.
Ферменты имеют молекулярные массы в диапазоне от 12 тысяч до 1 миллиона Дальтон. Некоторые ферменты для проявления своей активности не требуют иных химических групп, представленных аминокислотными остатками. Другие требуют дополнительный химический компонент, называемый кофактором
. Кофакторами могут выступать один или более неорганических ионов, таких как Fe+2
, Mg+2
, Mn+2
, Zn+2
, или комплексная органическая или металлорганическая молекула, называемая коферментом
. Некоторые ферменты требуют для проявления активности наряду с коферментом одного или более ионов металла. Кофермент или ион металла ковалентносвязанные с белковой молекулой фермента, называется простетической группой
. Полностью каталитически активный фермент совместно с коферментом и/или ионами металла называется холоферментом
. Белковая часть такого фермента носит название апофермента
или апопротеина
. Коферменты функционируют как непрерывные переносчики определенных функциональных групп.
Многие витамины, органические продукты питания, требуемые в малых количествах в диете, являются предшественниками коферментов.
Ферменты классифицируются в соответствии с реакциями, которые они катализируют
. Их называют путем добавления суффикса "аза
" к названию их субстрата или слову или фразе, описывающих их активность. Так, уреаза катализирует гидролиз мочевины, а ДНК-полимераза катализирует синтез ДНК. Есть ферменты, такие как пепсин и трипсин, которые в названиях не отражают своих субстратов. Некоторые ферменты имеют два и более наименования. Поэтому существует международное соглашение по классификации ферментов.
Каждый фермент имеет четырех цифровой классификационный номер и систематическое название, которое идентифицирует катализируемую реакцию.
Международная классификация ферментов
| Класс
|
Тип катализируемой реакции
|
| 1. Оксидоредуктазы |
Передача электронов |
| 2. Трансферазы |
Передача функциональных групп |
| 3. Гидролазы |
Гидролиз |
| 4. Лиазы |
Присоединение групп по двойным связям или образование двойных связей при удалении групп |
| 5. Изомеразы |
Перегруппировка молекулы с образованием изомерных форм |
| 6. Лигазы |
Образование C-C, C-S, C-O и C-N связей в реакциях конденсации с распадом АТФ на АДФ |
В ферменте реализуется специфическое окружение, внутри которого заданная реакция энергетически более предпочтительна. Отличительной особенностью ферментативной реакции является наличие некого "кармана" у фермента, называемого активным центром
. Молекула, связываемая активным центром, получила название субстрата
. Образование фермент-субстратного комплекса является основой для описания механизма ферментативных реакций.
Е + S ES ЕР Е + Р ,
Е
- фермент, S
- субстрат, Р
- продукт, ES
- комплекс фермента с субстратом,
ЕР
- комплекс фермента с продуктом.
Переходное состояние, (+
+
)
Свободная
Химическая
энергия
, G DGS
®
P
+
+
DGP
®
S
+
+
реакция
S
DG +
+
P
Координата реакции
(+
+
)
DGнекат+
+
Ферментативная
Свободная
реакция
энергия
, G DGкат
+
+
DGкат+
+
< DGнекат+
+
ES EP
Координата реакции
Исходя из теории переходного состояния, скорость реакции равна:
K × T
k = × e -
D
G
/
RT
h ,
где К
- постоянная Больцмана, h
- постоянная Планка.
Увеличение скорости реакций под действием ферментов
| Карбоангидраза |
107
|
| Фосфоглюкомутаза |
1012
|
| Сукцинил-СоА трансфераза |
1013
|
| Уреаза |
1014
|
Кинетика ферментативных реакций раскрывает механизм их действия, позволяет установить влияние на скорость реакций температуры, рН, ионной силы раствора, фиксировать конкурентоспособность ингибиторов реакций и т.д.
Вопросы для самоконтроля
1. Состав ферментов.
2. Классификация ферментов.
3. Пространственная структура ферментов.
4. От чего зависит активность ферментов?
5. Способы количественного измерения активности ферментов?
6. Способы ингибирования действия ферментов?
7. Энзиматическая активность лизоцима.
8. Использование ферментов в пищевой промышленности.
9. Способы иммобилизации ферментов.
Тестовые вопросы
1. Сколько классов ферментов?
а) 5;
б) 6;
в) 3;
г) 7.
2. Что такое активные центры ферментов?
а) место в молекуле где происходит реакция субстратом;
б) центр, отвечающий за строение ферментов;
в) сочетание группировок от аминокислот.
3. Какая оптимальная tºС должна быть для мах активности ферментов?
а) 80ºС;
б) 100ºС;
в) 40-50ºС;
г) 20ºС.
4. По какому принципу осуществляется классификация ферментов?
а) по конечному продукту реакции;
б) по типу реакции которая катализируется этим ферментом;
б) по исходным веществам которые использованы для самой реакции.
5. Какую реакцию катализирует фермент сахараза?
а) инверсия сахарозы;
б) синтез крахмала;
в) перенос фосфорных остатков.
ТЕМА 5. ЛИПИДЫ
Липиды природного происхождения - это группа соединений, общей особенностью которых является отсутствие растворимости в воде. Биологические функции липидов весьма разнообразны. Жиры и масла есть главные формы аккумуляции энергии во многих организмах, фосфолипиды и стеролы составляют около половины массы биологических мембран. Другие липиды, хотя и присутствуют в относительно низких концентрациях, играют решающую роль в качестве кофакторов ферментов, переносчиков электронов, светопоглощающих пигментов, гормонов, эмульгирующих агентов, гидрофобных анкеров, внутриклеточных передатчиков.
Жиры и масла
- это производные жирных кислот, которые в свою очередь являются производными углеводородов. Полное окисление жирных кислот до СО2
и Н2
О в клетке подобно двигателю внутреннего сгорания есть высокоэнергетическая реакция.
Жирные кислоты
- это карбоновые кислоты с числом атомов углерода в углеводородной цепи от 4 до 36.
Некоторые природные жирные кислоты
| Углеродный
Скелет
|
Структура
|
Название
жирн. кислоты
|
Т
|
| 12:0 |
СН3
|
Лауриновая |
44,2 |
| 14:0 |
СН3
|
Миристиновая |
53,9 |
| 16:0 |
СН3
|
Пальмитиновая |
63,1 |
| 18:0 |
СН3
|
Стеариновая |
69,6 |
| 18:1(D9
|
СН3
|
Олеиновая |
13,4 |
| 18:2 (D9,12
|
СН3
|
a-Линолевая |
- 5 |
| 18:3 (D9,12,15
|
СH3
-(CH2
|
Линоленовая |
- 11 |
| 18:4 (D5,8,11,14
|
CH3
-CH2
|
Арахидоновая |
- 49,5 |
Положение двойной связи в жирных кислотах обозначается знаком D
. Двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах имеют цис-конфигурацию.
В позвоночных животных свободные жирные кислоты циркулируют в крови, связанные с сывороточным альбумином. Однако в основном жирные кислоты представлены в виде производных - сложных эфиров и амидов. Самые простейшие липиды, сконструированные из жирных кислот, представляют собой триацилглицеролы (или триглицериды
). В большинстве клеток эукариот триацилглицеролы образуют отдельную фазу жировых капелек в водном цитозоле.
Триацилглицеролы обеспечивают запас энергии в организмах. Некоторые люди имеют 15-20 кг триацилглицеролов, сохраняемые в адипоцитах в подкожных областях, эти количества обеспечивают запас энергии на несколько месяцев. Триацилглицеролы служат также изолирующим материалом, защищающим организм от переохлаждения. Большинство продуктов питания содержат триацилглицеролы.
Жирнокислотный состав природных жиров
| Состав при комн.
(25
|
Жирные кислоты
|
|||||
| Насыщенные
|
ненасыщеные
|
|||||
| С4
|
С14
|
С16
|
С18
|
С16
|
||
| Оливковое масло |
Жидкое |
< 2 |
< 2 |
13 |
3 |
80 |
| Коровье масло |
Твердое (размяг.) |
11 |
10 |
26 |
11 |
10 |
| Коровий жир |
Твердое (хрупкое) |
< 2 |
< 2 |
29 |
21 |
46 |
При гидролизе триацилглицеролов образуются мыла.
омыление
Воска служат источником запасенной энергии и водонепроницаемым покрытием, они представляют сложные эфиры длиноцепочечных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот (имеющих от 14 до 36 атомов углерода) с длиноцепочечными спиртами (имеющими от 16 до 30 углеродных атомов).
Основной компонент пчелиного воска
:
Характерной особенностью биологических мембран является двойной липидный слой, который служит барьером для проникновения полярных молекул и ионов.
Основные классы запасных и мембранных липидов
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Глицерофосфолипиды являются производными фосфатидиловой кислоты. В некоторых фосфолипидах жирные кислоты присоединяются через простые эфирные связи.
Тромбацитарный фактор активации
Сфинголипиды будучи производными сфингозина (аминоспирта
) являются центрами биологического распознавания на поверхности клетки, так например, они служат детерминантами групп крови человека А
, В
и О
.
|
Fuc О-Антиген
Glc Gal GalNAc Gal
|
Fuc А-Антиген
Glc Gal GalNAc Gal GalNAc
|
Fuc В-Антиген
Glc Gal GalNAc Gal Gal
Полярные липиды агрегируют в воде с образованием мицелл
, бислойных мембран
, липосом
.
Мицелла
Бислойная мембрана
Липосома
Кроме запасных и мембранных липидов, играющих сравнительно пассивную роль в организмах, встречаются липиды с высокой биологической активностью. Они включают сотни стероидов и большое число изопреноидов. Изопреноидами являются жирорастворимые витамины A, D, E, K.
Липиды не растворимы в воде, их экстрагируют органическими раство-рителями, фракционируют и детектируют хроматографическими методами.
Вопросы для самоконтроля
1. Температуры плавления жирных кислот и их структурные особенности.
2. Продукты гидролиза липидов.
3. Гидрофобные и гидрофильные компоненты липидов?
4. Свойства липидов и липидных мембран.
5. Методы разделения липидов.
6. Условия хранения липидов.
7. Влияние полярности липидов на их растворимость в воде (на примере триацилглицеролов).
Тестовые вопросы
1. Как называется фермент, участвующий в гидролизе липидов?
а) липаза;
б) миоксигеноза;
в) сахароза;
г) дегидрогеназа.
2. В чём заключается реакция гидрогенизации?
а) присоединение водорода по месту двойной связи;
б) окисление ненасыщенных жирных кислот;
в) восстановлению насыщенных жирных кислот.
3. Сущность процесса прогоркания жиров?
а) окисление;
б) восстановление;
в) омыление.
4. Какое количество энергии выделяется при окислении одного грамма жира?
а) 9,3 ккал;
б) 4,5 ккал;
в) 7 ккал;
г) 2 ккал.
5. Какие характерные «числа» используют для оценки химического состава и качества масел и жиров?
а) кислотное;
б) йодное;
в) кислотно-щелочное;
г) омыление.
ТЕМА 6. ВИТАМИНЫ
Витамины - это группа органических веществ, которые синтезируются, как правило, в растениях, в малых количествах они входят в состав тканей животных. При отсутствии витаминов наступают глубокие нарушения в процессах обмена веществ, которые в итоге ведут к тяжелым заболеваниям и гибели организма. Эти заболевания называют авитаминозами, по своим признакам они отличаются друг от друга исходя из природы витамина, недостающего в пище. Традиционно витамины носят буквенные обозначения, часто с цифровыми или буквенными символами. Витамины выявляют в опытах на животных и микроорганизмах, путем перевода их на искусственный строго фиксированный рацион. Витамины по их растворимости делят на растворимые в воде и растворимые в органических растворителях (хлороформе, эфире, бензоле и других). Последняя группа витаминов растворена в жировых тканях организма, их называют жирорастворимыми витаминами.
6.1.
Водорастворимые витамины
К водорастворимым относят витамин С
и группу витаминов В
. Витамины группы В обычно сопровождают в пищевых продуктах друг друга, они термостабильны.
Витамин С (аскорбиновая кислота)
. Он легко разрушается при нагревании, особенно в присутствии О2
и микроколичеств тяжелых металлов, особенно Cu. Отсутствие в пище витамина С вызывает у человека тяжелое заболевание - цингу. Недостаток витамина С понижает устойчивость организма к инфекционным заболеваниям. Аскорбиновая кислота впервые была выделена из надпочечников, где она содержится в значительном количестве (до 0,15%). Установлено химическое строение аскорбиновой кислоты, сейчас ее
L-аскорбиновая кислота
Потребность человека в аскорбиновой кислоте - 50 мг в сутки.
Витамин В1 (тиамин)
.
Отсутствие в пище витамина В1 вызывает тяжелое заболевание, которое носит название бери-бери или полиневрит, что приводит к параличам. Авитаминоз В1 ведет к нарушению сердечной деятельности, отекам, к расстройствам функций желудочно-кишечного тракта.
Тиамин
Тиамин синтезируется в растениях. Из тиамина образуется кофермент декарбоксилазы, участника обмена углеводов. Суточная потребность человека в витамине В1 - 3 мг.
Витамин В2 (рибофлавин)
.
Данный витамин был выделен из сыворотки молока и сырого яичного белка. Основным признаком недостатка в пище рибофлавина у молодых особей является остановка роста. В2-авитаминоз сопровождается заболеванием глаз, анемией. Особенно богаты рибофлавином дрожжи. Мясные, рыбные продукты, яйца, молоко - его основные источники.
Рибофлавин
Потребность человека в витамине В2 - 3 мг в сутки.
Витамин РР (никотиновая кислота)
.
Отсутствие этого витамина ведет к тяжелому заболеванию - пеллагре (дерматиты, расстройство желудочно-кишечного тракта). Никотиновая кислота распространена в продуктах питания растительного и животного происхождения, много ее в хлебе из муки грубого помола.
Никотиновая кислота
Суточная потребность человека в витамине РР - 15-25 мг.
Витамин В6 (пиридоксин)
.
Выделен из печени и дрожжей. Его авитаминоз вызывает заболевание типа пеллагры.
Пиридоксин
Суточная потребность человека в витамине В6 - 1,5 мг.
Хорошо исследованы строение и функции других водорастворимых витаминов: витамина Н (биотин), пантотеновой кислоты, фолиевой кислоты, витамина Р, витамина В12 (цианкобаламин), витамина В15 и других.
6
.2.
Жирорастворимые витамины
К жирорастворимым относятся витамины группы А, витамины группы D, витамины группы Е и витамины группы К.
Витамины группы А
.
Отсутствие витаминов группы А в пище сопровождается прекращением роста. Авитаминоз витамина А вызывает заболевание глаз. Наиболее обогащены витаминами группы А жиры печени рыб. Суточная потребность человека в витаминах группы А - 1-2 мг.
Витамин А (пигмент зрения
)
Витамины группы
D
.
Отсутствие витаминов группы D вызывает рахит у детей. Витамины этой группы содержатся в дрожжах, коровьем масле, в желтках яиц, в печени. Суточная потребность детей и взрослых в витаминах группы D - 25 мкг.
Витамин D3
(регулятор
Ca
и
PO
4
3-
обмена
)
Витамины группы Е (токоферол)
.
Витамины данной группы необходимы для размножения животных, их отсутствие вызывает ряд других заболеваний. Богаты витаминами группы Е растительные масла, особенно масло из зародышей пшеницы.
Витамин Е
(антиоксидант
)
Витамины группы К
.
Витамины этой группы необходимы для регулирования коагуляции крови, их отсутствие может вызвать внутренне кровоизлияние (геморрагию). Витамины группы К поставляются в организм с пищей растительного происхождения (шпинат, крапива, капуста).
Витамин К1
Вопросы для самоконтроля
1. Функции витаминов в обмене веществ.
2. Потребность в витаминах человека.
3. Типы авитаминозов?
4. Сохранность жирорастворимых витаминов в организме.
Тестовые вопросы
1. Что такое «провитамины»
а) предшественники жирорастворимых витаминов;
б) предшественники водо-растворимых витаминов;
в) витаминоподобные соединения.
2. Какова средняя суточная потребность в витаминах?
а) 50 гр.;
б) 200 мг.;
в) 100 мг.;
г) 10 мг.
3. Нехваткой какого витамина вызвано заболевание под названием «цинга».
а) витамин С;
б) витамин В;
в) витамин А;
г) витамин Е.
4. Предшественником какого витамина является «эргостерол»?
а) витамин А;
б) витамин Д;
в) витамин С.
5. Как классифицируют витамины?
а) растворимые в воде;
б) растворимые в жирах;
в) растворимые в солях;
г) растворимые в кислотах.
ТЕМА
7. БИОМЕМБРАНЫ И ТРАНСПОРТ
Первая живая клетка появилась как только образовалась мембрана, которая отделила содержимое клетки от окружающей среды. Мембраны формируют внешнюю границу клетки и регулируют транспорт молекул через эту границу. Они разделяют клетку на дискретные компартаменты, чтобы изолировать процессы и компоненты. Мембраны организуют последовательности сложных реакций, играют центральную роль в накоплении и хранении энергии, осуществлении межклеточных связей. Биологическая активность мембран во многом зависит от их физических свойств.
Мембраны представляют собой достаточно прочные и одновременно эластичные самоизолирующиеся образования, они обладают селективной проницаемостью к полярным растворителям. Их гибкость, эластичность позволяют трансформировать форму в процессе роста клетки и ее движения. Ее способность к изолированности при нарушении целостности клетки обусловлена способностью двух мембран сплавляться.
Мембраны не представляют только пассивный барьер. Они включают массив белков, являющихся промоторами или катализаторами различных молекулярных механизмов. Транспортные белки, встроенные в мембраны, подобно насосам перемещают растворы органических соединений и неорганических ионов через мембрану против градиента концентраций. Преобразователи энергии переводят энергию из одной формы в другую. Рецепторы на плазматической мембране воспринимают внеклеточные сигналы, преобразуя их в молекулярные изменения внутри клетки. Мембраны построены из двух слоев молекул, поэтому они очень тонкие, их можно рассматривать как двумерные системы.
Большое число процессов в клетке связано с мембранами (синтез липидов и определенных белков, преобразование энергии в митохондриях и хлоропластах). Так как межмолекулярные взаимодействия более вероятны в двумерном пространстве, чем трехмерном, эффективность фермент-катализируемых циклов превращений на мембранах существенно увеличивается.
Белки и полярные липиды составляют основную массу биологических мембран, небольшое количество углеводов представлено в гликопротеинах или гликолипидах.
Основные компоненты плазматических мембран
.
| Вид
|
Белок,
%
|
Фосфолипид,
%
|
Др. липиды
|
Стерол,
%
|
Тип
стерола
|
| Печень мыши |
45 |
27 |
- |
25 |
Холестерол |
| Лист кукурузы |
47 |
26 |
Галактолипид |
7 |
Цитостерол |
| Дрожжи |
52 |
7 |
Триацилглицеролы |
4 |
Эргостерол |
| E. коли |
75 |
25 |
Стерилсложные эфиры |
0 |
- |
Каждая мембрана имеет характерный липидный состав, что подтверждается исследованиями методом электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии детергента - додецилсульфата натрия.
Мембраны с различными функциями имеют в своем составе различные белки. Толщина мембран составляет от 5 до 8 нм. Основным структурным элементом мембраны выступает липидный бислой. Мембранные липиды находятся в постоянном движении. Хотя структура липидного бислоя сама по себе устойчива, молекулы индивидуальных фосфолипидов и стеролов имеют большую степень свободы в плоскости мембраны. Они диффундируют так быстро, что молекула индивидуального липида может переместиться, к примеру вокруг эритроцита всего лишь за несколько секунд. Внутренняя часть бислоя может рассматриваться как жидкость, углеводородные цепи жирных кислот находятся в постоянном движении в результате вращения вокруг одинарных С-С связей. Степень жидкостного состояния зависит от состава липидов и температуры. При низких температурах движение липидов замедляется и бислой имеет состояние близкое к паракристаллическому. Температура перехода от паракристаллического состояния к жидкому зависит от состава липидов мембраны. Насыщенные жирные кислоты способствуют образованию паракристаллического состояния. Содержание стеролов также определяет температуру перехода. Жесткие циклические структуры стеролов снижают свободу движения соседних жирнокислотных цепей. С другой стороны при низких температурах они препятствуют компактизации жирнокислотных цепей.
Как микроорганизмы, так и культуры животных клеток регулируют свой липидный состав таким образом, чтобы обеспечивать необходимую жидкую консистенцию в изменяющихся условиях роста
.
Жирнокислотный состав клеток Е. коли
, выращенных при разных температурах
| Жирная кислота |
Процент жирной кислоты |
|||
| 10
|
20
|
30
|
40
|
|
| Миристиновая (14:0) |
4 |
4 |
4 |
8 |
| Пальметиновая (16:0) |
18 |
25 |
29 |
48 |
| Пальметолеиновая (16:1) |
26 |
24 |
23 |
9 |
| Олеиновая (18:1) |
38 |
34 |
30 |
12 |
| Гидроксимиристиновая |
13 |
10 |
10 |
8 |
| Отношение: ненасыщенные к-ты / насыщенные к-ты |
2,90 |
2,00 |
1,60 |
0,38 |
Мембранные белки пронизывают липидный бислой, могут быть фиксированы на внешней или внутренней стороне бислоя. Мембранные белки ориентированы асимметрично, они могут быть разделены на две группы: внутренние (неотъемлемые) и внешние (периферические) белки. Периферические белки могут быть отделены от мембраны путем мягких обработок, они в общем случае растворимы в воде. Напротив внутренние мембранные белки требуют для своего отделения действия ряда агентов (детергентов, органических растворителей или денатурантов). 0ни образуют нерастворимые в воде агрегаты.
Каждая живая клетка требует для своего существования поступления из окружения питательных веществ для биосинтеза и получения энергии, она выделяет в окружающую среду вторичные продукты метаболизма. Плазматическая мембрана содержит белки, которые распознают и переносят в клетку такие необходимые вещества, как углеводы, аминокислоты и неорганические ионы. В некоторых случаях эти компоненты поступают в клетку против градиента концентрации, т.е. накачиваются в клетку посредством биологических транспортных систем.
Типы транспорта
| Тип транспорта
|
Носитель
белка
|
Создает конц. градиент
|
Зависит от энергии
|
Примеры
|
| Простая диффузия |
Нет |
Нет |
Нет |
Н2
|
| Пассивный транспорт |
Да |
Нет |
Нет |
Глюкоза проникает в эритроциты |
| Активный транспорт
Первичный |
Да |
Да |
Да |
Н+
|
| Вторичный |
Да |
Да |
Да |
Аминокислоты и сахара |
| Ионные каналы |
Да |
Нет |
Нет |
Na+
|
Вопросы для самоконтроля
1. Структура билипидного слоя плазматической мембраны.
2. Зависимость жирнокислотного состава клетки от темпетратуры.
3. С чем связана проницаемость липидных мембран?
4. Особенности транспорта ионов натрия и калия через плазматические мембраны.
Тестовые вопросы
1. Перечислить основные органические соединения из которых построены биологические мембраны клеток.
а) белок;
б) углеводы;
в) органические кислоты.
2. Какова толщина биомембран клеток?
а) 5-8 нм;
б) 15 нм;
в) 25 нм;
г) 50 нм.
3. Какими способами осуществляется перенос вещества через мембраны?
а) латеральная диффузия;
б) поперечная диффузия;
в) избирательная диффузия.
ТЕМА
8. УГЛЕВОДЫ
Углеводы - это наиболее распространенные природные биологические молекулы на Земле. Каждый год растениями и водорослями в результате фотосинтеза более чем 100 млрд. кубических метров СО2
и Н2
О превращаются в целлюлозу, хитин и другие продукты. Определенные углеводы (сахар, крахмал) стали определяющими в диете человека во многих странах мира. Окисление углеводов есть центральный производящий энергию путь в большинстве нефотосинтетических реакциях. Нерастворимые полисахариды служат структурным и защитным материалом клеточных стенок бактерий и растений, а также соединительных тканей животных. Другие полисахариды обеспечивают адгезию клеток. Ковалентные комплексы полисахаридов с белками и липидами действуют в качестве сигнальных веществ, которые определяют внутриклеточную локализацию или метаболизм глико-конъюгатов. По химическому строению углеводы представляют собой полигидрокси-альдегиды или полигидроксикетоны или вещества, которые образуют их при гидролизе. Большинство веществ этого класса имеют эмпирическую формулу, в которой отношение С:Н:О есть 1:2:1, например, эмпирическая формула глюкозы может быть записана как С6
Н12
О6
или (СН2
О)6
или С6
(Н2
О)6
. Многие углеводы имеют формулу (СН2
О)n
, некоторые углеводы содержат в своем составе атомы H, P, S.
Можно выделить три основных класса углеводов
: моносахариды
, дисахариды
, полисахариды
. Моносахариды или просто сахара содержат одну полигидроксиальдегидную или кетонную единицу. Самым распространенным природным моносахаридом является шестиуглеродный сахарид - D-глюкоза. Олигосахариды представляют короткие цепи из моносахаридных остатков, соединенных посредством гликозидных связей. Из олигосахаридов наиболее распространены в природе дисахариды, а из дисахаридов - сахароза или просто сахар. Полисахариды состоят из длинных цепей, имеющих сотни или тысячи моносахаридных единиц. Некоторые поласахариды встречаются в форме линейных цепей, как например целлюлоза, другие, такие как гликоген, крахмал имеют разветвленные цепи.
8.1. Моносахариды
Существует два семейства моносахаридов
, это - альдозы, когда на конце углеродной цепи присутствует карбонильная группа, и кетозы, когда карбонильная группа расположена в ином другом положении. Простейшими моносахаридами являются две трехуглеродные триозы - глицероальдегид и дигидроксиацетон.
альдоза кетоза
Моносахариды с 4,5,6,7 атомами углерода называются соответственно тетрозы
, пентозы
, гексозы
, гептозы
. Альдозы и кетозы каждой из этих цепей называются альдотетрозы и кетотетрозы, альдопентозы и кетопентозы и т.д. Среди альдогексоз, D-глюкоза, и среди кетогексоз, D-фруктоза, - это наиболее распространенные моносахариды.
D-глюкоза
D-фруктоза
Две альдопентозы - D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза являются компонентами нуклеотидов и нуклеиновых кислот.
Все моносахариды, за исключением дигидроксиацетона, содержат один или более асимметричный (хиральный) атом углерода и таким образом, они встречаются в оптически активных изомерных формах.
Простейшая альдоза, глицероальдегид, содержит один хиральный центр, и поэтому имеет два различных оптических изомера, или энантиомера.
В общем случае молекула с "n
" хиральными центрами имеет 2
n
стереоизомеров. Так, альдогексозы с 4 хиральными центрами имеют 24
=16 стереоизомеров.
D-АЛЬДОПЕНТОЗЫ
D-рибоза
D-арабиноза
D-ксилоза
D-ликсоза
D-АЛЬДОГЕКСОЗЫ
D-аллоза
D-альтроза
D-глюкоза
D-манноза
D-гулоза
D-идоза
D-галактоза
D-талоза
D-КЕТОПЕНТОЗЫ
D-рибулоза
D-ксилулоза
D-КЕТОГЕКСОЗЫ.
D-псикоза
D-фруктоза
D-сорбоза
D-тагатоза
В действительности, моносахариды с 5 и более атомами углерода обычно встречаются в водном растворе в циклических формах, в которых карбонильная группа образует ковалентную связь с атомом кислорода гидроксильных групп. При образовании циклических структур формируются дополнительно два стереоизомера относительно атома углерода С-1. Циклические формы cахаров с 5 атомами углерода в цикле называются пиранозидами
.
a-D-глюкопираноза
b -D-глюкопираноза
a- и b-формы D-глюкозы превращаются друг в друга в водном растворе, этот процесс получил название мутаротации
. Полуацетальный атом углерода (С-1) называют аномерным
атомом углерода.
Кетогексозы также встречаются в форме a- и b-аномерных форм. В этих соединениях гидроксильная группа у С-5 (или С-6) реагирует с кетогруппой у С-2, образуя фуранозный (или пиранозный) цикл, содержащий полукетальную
связь.
a-D-фруктофураноза
b-D-фруктофураноза
.
Шестичленный цикл в пиранозах имеет конформации кресла и ванны. Эти конформации оказывают существенное влияние на пространственные формы полисахаридов и их биологические функции.
8.2.
Дисахариды
Дисахариды состоят их двух моносахаридных остатков, соединенных О-гликозидной связью.
1 4
Мальтоза
(О-a-D-глюкопиранозил-1-4-b-D-глюкопираноза)
1 4
Лактоза
(О-b-D-галактопиранозил-1-4-b-D-глюкопираноза)
Для описания химической структуры олигосахаридов и полисахаридов приняты следующие аббревиатуры моносахаридов
:
АРАБИНОЗА….Arа РИБОЗА........................ ....…..Rib
ФРУКТОЗА ......Fru КСИЛОЗА..........................….Xyl
ФУКОЗА ...........Fuc ГЛЮКУРОНОВАЯ К-ТА.….GLcUA
ГАЛАКТОЗА.....Gal ГАЛАКТОЗАМИН...........…..GalN
ГЛЮКОЗА.........Glc ГЛЮКОЗАМИН................….GlcN
МАННОЗА.........Man N-Ацилгалактозамин ........…GalNAc
РАМНОЗА .......Rha N-ацилглюкозамин.............…GlcNAc
8.3. Полисахариды
Гомополисахариды
Линейный полисахарид Разветвленный полисахарид
А А А А А А
А А А
Гетерополасахариды
Линейный гетерополисахарид Разветвленный гетерополисахарид
А В А А В А
В А В
Целлюлоза
- основной компонент клеточных стенок растений, наиболее распространенный полисахарид в природе.
Хитин
- основной компонент панциря насекомых, крабов, раков, креветок, второй по распространенности полисахарид в природе.
Вопросы для самоконтроля
1. Отличается числом хиральных центров молекула глюкозы в ациклической и циклической форме или нет?
2. Объясните почему эквимолярная смесь D-глюкозы и D-фруктозы, полученная гидролизом сахарозы, называется инвертным сахаром?
3. Аномеры сахарозы?
4. Роль фермента инвертазы при получении шоколада?
Тестовые вопросы
1.Перечислите в результате каких реакций в растительной клетке образуются углеводы?
а) фотосинтеза;
б) гидролиза;
в) этерификации.
2. Углеводные фрагменты «амилоза и амилопектин» составная часть какого углевода?
а) крахмала;
б) сахароза;
в) глюкоза;
г) мальтоза.
3. Какой связью связаны остатки моносахаридов в дисахаридах?
а) гликозидной;
б) пептидной;
в) сложно-эфирной;
г) водородной.
4. К какой группе углеводов относится «пектин»?
а) дисахаридам;
б) полисахаридам второго порядка;
в) моносахаридам.
5. Какова структура гликогена?
а) остатки глюкозы;
б) остатки фруктозы;
в) остатки галактозы;
г) остатки лактозы.
ТЕМА 9. НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеотиды имеют в своем составе три компонента: азотистое основание, пентозу (рибозу или дезоксирибозу) и фосфатную группу.
- пуриновое или пиримидиновое основание
РНК
ДНК
Пиримидин Пурин
ПУРИНЫ
Аденин
(ДНК,РНК) Гуанин
(ДНК,РНК)
ПИРИМИДИНЫ
Тимин
(ДНК) Цитозин
(ДНК, РНК) Урацил
(РНК)
| Нуклеотид
|
Символы
|
| Дезоксиаденилат |
A, dA, dAMP |
| Дезоксигуанилат |
G, dG, dGMP |
| Дезокситимидилат |
T, dT, dTMP |
| Дезоксицитидилат |
C, dC, dCMP |
| Аденилат |
A, AMP |
| Гуанилат |
G, GMP |
| Уридилат |
U, UMP |
| Цитидилат |
C, CMP |
В ДНК И РНК нуклеиновые единицы соединяются друг с другом посредством фосфодиэфирной связи, в образовании этой связи участвуют ОН группа у С-5 атома одного остатка и ОН группа у С-З атома другого остатка.
ДНК РНК
Двухцепочечная ДНК
Исследуя состав ДНК, известный ученый Чаргафф пришел к следующим заключениям (правила Чаргаффа
):
1. Состав азотистых оснований в ДНК варьирует от одного вида растений и животных к другому.
2. Образцы ДНК, выделенные из органов и тканей одного вида растения или животного, имеют одинаковый состав азотистых оснований.
3. Состав оснований в ДНК данного вида не изменяется с его возрастом, условиями питания, не зависит от изменений в окружающей среде.
4. Во всех ДНК независимо от вида число остатков аденина равно числу остатков тимина (А=Т
), число остатков гуанина равно числу остатков цитозина (G
=
C
). Сумма пуриновых остатков равна сумме пиримидиновых остатков (A
+
G
=
T
+
C
).
ДНК по данным рентгеноструктурного анализа представляет собой двойную спираль, две цепи в спирали антипараллельны, цепи комплиментарны друг другу. ДНК - это довольно гибкая макромолекула, в пространстве реализуются три ее формы: А
, В
и z
.
Нуклеотиды, помимо того, что являются структурными единицами ДНК и РНК, выполняют в организме и другие функции. Исключительно важна их роль в обмене веществ и энергии, они входят в состав кофакторов ферментов. Наиболее распространенным нуклеотидом является АТФ, в скелетных мышцах теплокровных животных содержание АТФ достигает 0,4%.
АДФ
АТФ
Вопросы для самоконтроля
1. Структура нуклеотидов.
2. Структура нуклеозидов.
3. Пары оснований в ДНК и РНК.
4. Какое количество ДНК содержит тело человека?
5. Структура нуклеиновых кислот.
6. ДНК идентификация.
Тестовые вопросы
1. Как называется химическая связь, которая соединяет остатки фосфорной кислоты в соединениях АТФ и АДФ?
а) макроэнергетическая;
б) макроэргическая;
в) водородная.
2. Сколько остатков фосфорных кислот входит в нуклеотид АТФ?
а) 2;
б) 3;
в) 1;
г) 0.
3. Какую биологическую роль выполняет ДНК?
а) транспортную;
б) хранитель генетической информации;
в) отвечает за синтез белка.
4. Согласно правилу комплементарности какое из азотистых оснований присоединяется к аденину?
а) тимин;
б) цитозин;
в) уроцил;
г) гуанин.
5. В чём отличие в химическом строении нуклеотида от нуклеозида?
а) добавлением к нуклеозиду одного остатка фосфорной кислоты;
б) добавлением к нуклеозиду двух молекул углевода;
в) добавлением к нуклеозиду одной молекулы белка.
ТЕМА
10. ПРИНЦИПЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ
Биоэнергетика количественно изучает превращения энергии, которые происходят в живых клетках, а также природу и функции химических процессов, сопровождающих эти превращения. Преобразования энергии в биологических системах подчиняются законам термодинамики.
В условиях существования биологических систем (при постоянной темпера- туре и давлении) изменения в свободной энергии, энтальпии и энтропии связаны друг с другом количественно уравнением первого закона термодинамики.
DG= DН – Т×DS.
Второй закон термодинамики устанавливает, что энтропия универсальной системы увеличивается при любых химических и физических процессах, однако закон не требует увеличения энтропии в самой реагирующей системе. Процессы упорядочения в клетке в процессе их роста и деления полностью компенсируются беспорядком, который они создают в их окружении.
Клетки требуют для своего существования свободной энергии. Поскольку они являются изотермическими системами, поток тепла извне не может быть источником энергии, этими источниками служат солнечная радиация или химическая энергия питательных веществ, преобразуемая в энергию химических связей АТФ и других энергоемких молекул (НАДН, НАДФН).
Понятие о метаболизме
Метаболизм - это высокоорганизованная и непосредственная деятельность клетки, в которой кооперируют многие мультиферментные системы для выполнения четырех основных функций:
1. Получение химической энергии путем преобразования солнечной энергии или деградации обогащенных энергией питательных веществ из окружения.
2. Преобразование молекул питательных веществ в собственные характеристичные молекулы клетки, включая получение предшественников биологических макромолекул.
3. Полимеризация мономерных предшественников в белки, липиды, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие клеточные компоненты.
4. Синтез и разрушение биологических молекул, требуемых для выполнения специализированных функций клетки.
Хотя метаболизм включает сотни катализируемых ферментами реакций, центральные циклы превращений немногочисленны и существенно похожи во всех формах жизни.
Живые организмы разделяются на две большие группы в соответствии с химической формой получения углерода из окружения.
Аутотрофы
(такие как фотосинтезирующие бактерии и высшие растения) могут использовать СО2
из атмосферы, как определяющий источник углерода, из которого они конструируют все свои углеродсодержащие биологические молекулы. Некоторые аутотрофные организмы, такие как цианобактерии, могут также использовать атмосферный азот для получения всех необходимых им азотистых соединений.
Гетеротрофы
не могут использовать атмосферный углекислый газ и должны получать углерод из окружения в форме сравнительно сложных органических молекул, таких как глюкоза.
Клетки высших животных и большинства микроорганизмов гетеротрофны
.
Многие аутотрофные организмы являются фотосинтезирующими и получают энергию из солнечного света, тогда как гетеротрофные клетки снабжаются энергией, выделенной при деградации органических питательных веществ, произведенных аутотрофами. В биосфере аутотрофы и гетеротрофы существуют совместно и взаимозависимо. Некоторые аутотрофы генерируют кислород из Н2
О. Гетеротрофы в свою очередь используют органические продукты аутотрофов и возвращают СО2
в атмосферу. В реакциях окисления, которые производят СО2
, кислород превращается в Н2
О.
Таким образом кислород, углерод и вода находятся в непрерывном цикле превращений между гетеротрофами и аутотрофами, солнечная энергия является движущей силой этого массивного процесса.
Все живые организмы также требуют источника азота, который необходим для синтеза аминокислот, нуклеотидов и других веществ. Растения способны использовать для этих целей аммиак или нитраты, тогда как животные получают азот в форме аминокислот или других азотсодержащих органических соединений. Только немногие организмы (цианобактерии) способны преобразовывать атмосферный азот в аммиак.
ЦИКЛ ПРЕВРАЩЕНИЯ АЗОТА В БИОСФЕРЕ
.
Нитрифициру- Нитраты,
ющие бактерии нитриты
Азотфиксирующие
Атмосферный N2
бактерии NH3
Растения
Животные Аминокислоты
Таким образом метаболизм - это сумма всех химических превращений, которые встречаются в клетке или в организме. В этом цикле превращений соединения предшественники преобразуются в продукты реакций через ряд промежуточных веществ, называемых метаболитами. В процессе катаболизма молекулы органических продуктов питания (углеводы, жиры, белки) преобразуются в простые конечные продукты (молочная кислота, СО2
, NН3
). Катаболизм сопровождается выделением энергии, которая аккумулируется в АТФ и восстановленных носителях электронов, это - никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и никотинамидадениндинуклеотид-фосфат (НАДФН). В процессе анаболизма, называемом также биосинтезом, малые молекулы предшественников выстраиваются в большие сложные молекулы, такие как липиды, полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Анаболические реакции требуют затрат энергии, которая высвобождается при гидролизе АТФ и окислении НАДН и НАДФН.
Энергетическая взаимосвязь катаболизма и анаболизма
|
|
АДФ+НРО4
2-
НАД+
НАДФ+
АТФ
НАДН
|
|
НАДФН
|
Существует три типа обмена веществ
:
а. сходящийся катаболический
,
б. расходящийся анаболический
,
в. циклический
.
Гликолиз
D-Глюкоза является наиболее распространенным источником химической энергии, поэтому она занимает центральное положение в метаболизме. Она относительно богата потенциальной энергией, при ее окислении до углекислого газа выделяется значительное количество энергии.
В организме глюкоза хранится в форме полисахарида, который быстро превращается в глюкозу, в случае потребности организма в энергии.
В высших растениях и животных глюкоза выполняет три назначения: она может быть запасенным источником химической энергии, она может окисляться до трехуглеродных соединений (пуриват) в процессе гликолиза, или окисляться до пентоз.
гликолиз (10 реакций)
|
анаэробные анаэробные
условия условия
|
|
О2
аэробные
условия
СО2
|
Ферментация до
Спиртовая до молочной кислоты
ферментация
в дрожжах О2
цикл превращений
лимонной кислоты
|
Вопросы для самоконтроля
1. Изменения энтропии в процессе формирования цыпленка из яйца?
2. Утилизация АТФ организмом человека.
3. Роль митохондрий в биоэнегетике и метаболизме?
4. Роль гликоген фосфорилазы.
5. Клинические симптомы дефицита ферментов в процессе гликолиза.
Тестовые вопросы
1. Назовите основное вещество с которого начинается процесс гликолиза?
а) углеводы;
б) жиры;
в) белки;
г) витамины.
2. Какое количество энергии выделяется при окислении глюкоза?
а) 628 ккал;
б) 100 ккал;
в) 50 ккал;
г) 25 ккал.
3. Что общего в процессах аэробного и анаэробного окисления глюкоза?
а) оба процесса начинаются с окислением глюкозы до пировиноградной кислоты;
б) не требуется для реакции кислорода;
в) требуется избыток кислорода.
4. Какие конечные продукты аэробного окисления глюкозы?
а) СО2
и Н2
О;
б) С6
Н12
О6
;
в) С2
Н5
ОН;
г) пировиноградная кислота.
5. Какие продукты образуются при декарбоксилировании пировиноградной кислоты?
а) СО2
и Н2
О;
б) С2
Н5
ОН;
в) уксусный альдегид.
ТЕМА 13. МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ
Липиды - большая группа веществ с разной химической структурой, но общим свойством - они не растворимы в воде, а растворимы в различных органических растворителях. Пути превращения различных липидов (жиры, фосфолипиды, гликолипиды), их распад и синтез не являются одинаковыми.
Гидролитическое расщепление жиров (как наиболее распространенного веществ в классе липидов) катализируется ферментами липазами
. В ротовой полости переваривания жиров не происходит, т.к. в слюне липазы отсутствуют. В желудочном соке содержится липаза в незначительном количестве, которая катализирует распад жиров, находящихся в эмульгированном состоянии (молоко). В основном переваривание жиров происходит в тонких кишках. В двенадцатиперстную кишку поступает сок поджелудочной железы и желчь. В соке поджелудочной железы содержится липаза, в желчи - желчные кислоты, соли которых являются эмульгаторами жиров, благодаря им образуется тонкая устойчивая эмульсия жиров с диаметром частиц 0,5 мкм и меньше. В тонких кишках после переваривания пищи, богатой жирами, можно обнаружить жирные кислоты, их соли и смесь моно-, ди- и триацилглицеролов в виде тонкой эмульсии. Глицерин, хорошо растворимый в воде, всасывается стенками кишок. Всасывание жирных кислот идет в форме комплексов с желчными кислотами. Некоторое количество жира в виде капелек диаметром менее 0,5 мкм может всосаться стенкой кишок в форме эмульсии моноглицеридов (хиломикроны
).
Распад жиров в организме происходит с образованием конечных продуктов СО2
и Н2
О. Распад жиров начинается с их гидролиза под действием липаз до глицерина и жирных кислот, пути распада последних различны. Превращение глицерина (подобно превращению углеводов) начинается с его фосфорилирования под действием фермента фосфоферазы, катализирующей перенос фосфатного остатка от молекулы АТФ на молекулу глицерина.
АТФ АДФ
Глицерофосфорная кислота затем подвергается окислению с образованием фосфоглицероальдегида.
-2е-
, -2Н+
оксидаза
Далее возможны два пути: а. синтез гликогена, б. Последующий распад до молочной кислоты и ее аэробное окисление с образованием СО2
и Н2
О.
13.1.
b
-Окисление насыщенных жирных кислот
Митохондриальное окисление жирных кислот до конечных продуктов проходит в три стадии. На первой стадии происходит b-окисление жирных кислот, при котором удаляется фрагмент цепи с двумя углеродными атомами с карбонильного конца жирнокислотной цепи в форме ацетил-СоА. Для примера пальмитиновая кислота с 16 атомами углерода в цепи проходит через 7 последовательных реакций окисления с потерей каждый раз двух атомов углерода в форме ацетил-СоА.
|
b - окисление
II - стадия
Цикл обмена
лимонной
кислоты
I – стадия 16 СО2
64 е-
III - стадия
|
2Н+
+ 1
/2
О2
|
е-
Н2
О
АДФ + РО4
3-
АТФ
Жирная кислота до процесса b-окисления активируется.
b a
(С16
)
пальмитиновая к-та пальматоил - СоА
ацил-СоА ФАД (флавинадениндинуклеотид)
дегидрогеназа ФАД-Н2
еноил-СоА
гидратаза Н2
О
b-гидроксиацетил-СоА НАД
дегидрогеназа НАД-Н
ацил-СоА СоА-SH
ацетилтрансфераза
(С14
)
Миристиновая к-та
миристидил-СоА ацетил-СоА
При полном b-окислении пальметиновой кислоты образуется 8 молекул ацетил-СоА.
13.2.
Метаболизм полиненасыщенных жирных кислот
Окисление полиненасыщенных жирных кислот требует дополнительно следующих ферментов: еноил-СоА изомеразы и НАДФН-зависимой 2,4-диеноил-СоА редуктазы.
12 9
Линолевая кислота
(18:2) D9,12
b-окисление
(3 цикла)
g b
еноил-СоА a
изомераза
g a
b-окисление b
(1 цикл)
2,4-диенол-СоА
редуктаза
еноил-СоА
изомераза
b-окисление
(4 цикла)
5 молекул ацетил-СоА
Таким образом при метаболизме линолевой кислоты образуется 9 молекул ацетил-СоА.
Вопросы для самоконтроля
1. Энергия триацилглицеролов.
2. Реакции превращения липидов, катализируемые ферментами.
3. Продукты метаболизма липидов.
Тестовые вопросы
1. Перечислите основные продукты распада жиров?
а) СО2
и Н2
О;
б) С6
Н12
О6
;
в) Н2
О;
г) АТФ.
2. Где происходит переваривание жиров в организме?
а) тонкий кишечник;
б) толстый кишечник;
в) печень.
3. Какие ферменты участвуют в гидролитическом расщепление жира?
а) липаза;
б) липоксигеназа;
в) дегидрогеназа;
г) синтетаза.
4. Из каких органических веществ состоит молекула жира?
а) жирные кислоты и многоатомный спирт;
б) жирные кислоты и азотистые основания;
в) фосфорная кислота и многоатомный спирт.
5. Чем отличаются предельные жирные кислоты от непредельных жирных кислот, входящие в молекуле жира?
а) нет двойных связей;
б) имеются двойные связи;
в) имеются двойные и пептидные связи.
ТЕМА
14. ОБМЕН БЕЛКОВ
Переваривание белков, их ферментативный гидролиз с образованием полипептидов, а затем аминокислот происходит в желудке и в тонких кишках, т.к. в слюне отсутствуют ферменты протеазы. Белки пищи подвергаются в желудке воздействию желудочного сока - соляной кислоты и фермента пепсина, а в кишечнике - воздействию ферментов трипсина и химотрипсина.
Трипсин,
Пепсин химотрипсин
БЕЛОК ПОЛИПЕПТИДЫ ПЕПТИДЫ АМИНОКИСЛОТЫ
рН 1,5-2 рН 7,5-8
(желудок
) (кишечник
)
Синтез белков
АМИНОКИСЛОТЫ Образование гормонов
Образование конечных продуктов азотистого обмена
Аминокислоты в организме претерпевают разнообразные ферментативные превращения, в результате которых неиспользованная для синтеза белков и других азотсодержащих веществ часть аминокислот подвергается глубокому распаду с образованием конечных продуктов: NH3
, СО2
и H2
O и освобождением энергии.
После приема с пищей белков, а также введения в организм аминокислот (в частности при парентеральном питании), весь входящий в их состав азот выделяется в виде мочевины. Под действием оксидаз идет реакция дезаминирования аминокислот.
оксидаза
a-кетокислота
Превращение всех аминокислот объединяет важная реакция переаминирования
.
аминотрансфераза
Общим для многих аминокислот является процесс их декарбоксилирования
.
декарбоксилаза
- СО2
Вопросы для самоконтроля
1. Роль информационной РНК при синтезе белка.
2. Ферменты – участники синтеза белков.
Тестовые вопросы
1. Назовите основные продукты обмена белков:
а) аминокислота;
б) жиры;
в) углеводы.
2. Какой фермент гидролизует белок?
а) пепсин;
б) дегидрогеназа;
в) амилаза;
г) липаза.
3. Какой основной продукт образуется при дезаминировании аминокислот?
а) NH3
;
б) СООН;
в) Н2
О;
г) О2
.
4. Какой фермент катализирует реакцию декарбоксилирования аминокислот?
а) декарбоксилаза;
б) липаза;
в) гидролиза;
г) трансфераза.
5. Какой фермент катализирует реакцию переаминирования?
а) трасфераза;
б) гидролиза;
в) синтетаза.
ТЕМА
15. ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ
Существенной характеристикой мультиклеточных организмов является дифференциация клеток и разделение их по виду деятельности. В дополнение к центральным циклам преобразования энергии и вещества, которые имеют место в каждой клетке, органы и ткани сложных организмов, в частности человека, имеют специальные функции и как следствие характеристические требования к питательным веществам и картине метаболизма в целом. Гормональные сигналы интегрируют и координируют метаболическую активность различных тканей, разносят информацию о размещении и распределении энергоемких веществ и веществ-предшественников синтеза биологических макромолекул к каждому органу.
Каждый орган и ткань человеческого тела имеют специализированную функцию, которая отражается в его анатомии и метаболической активности. Скелетные мышцы, используя метаболическую энергию, производят движение, жировая ткань сохраняет жиры, которые служат для запаса энергии, специальные разделы мозга продуцируют электрические сигналы. Печень играет роль центрального химического процессора и распределителя в процессе метаболизма, поставщика смеси питательных веществ посредством кровеносного русла. Глюкоза, поступающая в печень, под действием фермента глюкокиназы фосфорилируется до глюкозы-6-фосфата.
Путь метаболизма глюкоза-6-фосфата в печени
|
Гликоген печени
Триацилглицеролы,
Фосфолипиды НАДФН
|
Гликолиз
Жирные кислоты Холестерол Пуриват Нуклеотиды
Ацил-СоА Рибоза-5-фосфат
АДФ+Р АТФ
|
е-
СО2
О2
Н2
О
окислительное
фосфорилирование
Глюкоза-6-фосфат дефосфорилируется под действием фермента глюкозы-6-фосфотазы с образованием глюкозы, которая поступает в кровь. Выброс глюкозы в кровь должен регулироваться, т.к. концентрация глюкозы должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить энергией мозг и другие органы. Глюкоза-6-фосфат, которая не востребована для немедленного преобразования в глюкозу, превращается в печени в гликоген. Избыточное количество глюкозы-6-фосфата подвергается гликолизу, под действием фермента пуриват дегидрогеназы преобразуется в ацетил-СоА, который служит предшественником синтеза липидов: образуются жирные кислоты, которые переводятся в триацилглицеролы, фосфолипиды и холестерол.
Многие липиды, синтезируемые в печени, переносятся в другие органы, посредством связывания с липопротеинами крови. И окончательно глюкоза-6-фосфат служит субстратом для синтеза из фосфата пентозы обогащенного энергией НАДФН, который необходим для биосинтеза жирных кислот и холестерола, а также D-рибозы-5-фосфата, который является предшественником нуклеотидного биосинтеза.
Аминокислоты, поступающие в печень, имеют несколько важнейших путей метаболиэма, в результате которых образуются предшественники синтеза белков в гепатоцитах. Печень постоянно обновляет свои собственные белки, время жизни которых только несколько дней. В печени осуществляется биосинтез белков плазмы крови. Отдельные аминокислоты, попадая в печень, участвуют в биосинтезе нуклеотидов, гормонов и других азотистых соединений.
Жирнокислотные компоненты липидов также участвуют в различных путях преобразования. Жирные кислоты преобразуются в липиды печени, превращаются в фосфолипиды и триацилглицеролы плазматических липопротеинов, связываются с альбумином и переносятся по кровеносному руслу к сердцу и мышцам для окисления в них в качестве источников энергии.
Таким образом печень служит центром распределения организма, обеспечивая нутриентами в конкретных пропорциях другие органы, сглаживая флуктуации в процессе метаболизма. В печени проходят процессы энзиматической детоксикации
посторонних органических веществ (лекарств, пищевых добавок, консервантов). Детоксикация обычно включает цитохромзависимое гидроксилирование нерастворимых органических веществ.
Координация метаболизма в отдельных органах млекопитающих достигается гормональной и нервной системой - клетки эндокринных желез секретируют гормоны, нейроны секретируют нейротрансмиттеры. В обоих случаях вестник от одной клетки проникает к другой, где связывается с молекулой рецептора и запускает процесс изменения в активности второй клетки. Гормоны в отличие от нейротрансмиттеров, быстро переносятся по кровеносному руслу от одного органа к другому, при этом преодолевая большие расстояния. Механизм действия нейротрансмиттеров и гормонов во многом подобен. Отдельные химические вестники являются общими для эндокринной и нервной систем. Поэтому систему регулирования метаболизма часто называют нейроэндокринной
.
Концепция гормонов, как внутренних сигнальных веществ организма, появилась в 1855 году. Термин "гормон" введен в 1905 году в известной лекции Старлинга "Химическая корреляция функций тела". Известно, что гормоны контролируют не только различные аспекты метаболизма, но и многие другие функции: рост клеток и тканей, скорость сокращения сердечной мышцы, давление крови, функцию почек, секрецию ферментов и других гормонов, лактацию, активность репродуктивной системы.
КЛАССЫ ГОРМОНОВ И ГОРМОНОПОДОБНЫХ ВЕЩЕСТВ
.
| Гормон
|
Секретирующий
орган/ткань/клетка
|
Функция или активность
|
| Пептидные гормоны:
|
||
| Тиротропин-релизинг гормон |
Гипоталамус |
Стимуляция тиротропина |
| Кортикотропин (АКТТ) |
Гипофиз |
Стимуляция синтеза адрено-кортикотропных стероидов |
| Вазопрессин |
Гипофиз |
Увеличение давления крови |
| Инсулин |
Поджелудочная железа |
Стимуляция утилизации глюкозы |
| Глюкагон |
Поджелудочная железа |
Стимуляция выделения глюкозы печенью |
| Аминные гормоны:
|
||
| Адреналин |
Надпочечники |
Контроль стрессовых ситуаций, увеличение сердечного ритма |
| Тироксин |
Щитовидная железа |
Стимуляция метаболизма во многих органах |
| Стероидные гормоны:
|
||
| Кортизол |
Надпочечники |
Ограничивает утилизацию глюкозы |
| Алдостерон |
Надпочечники |
Регулирует кровяное давление |
| Тестостерон |
Половые железы |
Регулирует половую активность |
| b-Эстрадиол |
Половые железы |
- // - |
| Прогестерон |
В яичниках |
- // - |
| Гормоноподобные:
|
||
| Простагландины |
Большинство тканей |
Запускают мышечное сокращение |
| Лейкотриены |
Лейкоциты |
Включаются в гиперчувствитель-ные реакции |
| Тромбоксаны |
Тромбоциты |
Регулируют свертывание крови |
Вопросы для самокнтроля
1. Регулирование уровня гормонов в крови.
2. Функции водорастворимых и жирорастворимых гормонов.
3. Метаболизм глутамата в мозге человека.
Тестовые вопросы
1. Где синтезируются гормоны?
а) в растениях;
б) в живом организме;
в) в железах внутренней секреции.
2. Что происходит при недостатке инсулина в организме?
а) нарушается углеродный обмен;
б) нарушается белковый обмен;
в) истощение нервной системы.
3. Химическая природа гормонов?
а) белковая природа;
б) аминокислотная природа;
в) стеройдная природа.
4. Какие гормоны вырабатываются щитовидной железой?
а) тироксин;
б) инсулин;
в) кортизон;
г) адреналин.
5. Какова структура инсулина?
а) белковое вещество;
б) углеводное вещество;
в) витаминное вещество;
г) минеральное вещество.
ТЕМА
16. ВВЕДЕНИЕ В МОЛЕКУЛЯРНУЮ ГЕНЕТИКУ
Молекулы ДНК в хромосомах представляют самые гигантские макромолекулярные образования в клетках. В клетках встречаются также более мелкие молекулы ДНК в форме вирусных ДНК, плазмид, ДНК митохондрий (у эукариот) и ДНК хлоропласт. Многие ДНК, особенно те, которые встречаются в бактериях, митохондриях и хлоропластах, являются циркулярными (круговыми). Вирусные и хромосомальные ДНК имеют одну главную особенность: они много длиннее собственно вирусных частиц или клеток, в которых они упакованы. Общее содержание молекул ДНК в клетке эукариот существенно больше, чем в бактериальной клетке.
Гены
- это сегменты хромосомы, которые содержат информацию о функциональном полипептиде (белке) или РНК. В дополнение к этим структурным генам, хромосомы содержат ряд регуляторных последовательностей, включающихся в репликацию, транскрипцию и иные процессы молекулярной генетики. Большинство клеточных ДНК имеют суперспиральную форму, многократно скрученную цепь. В хроматине клеток эукариот фундаментальной единицей организации является нуклеосома, включающая в себя ДНК и белковую частицу, которая содержит 8 гистонов
: две копии каждого из гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Сегменты ДНК (около 146 пар оснований), накрученные вокруг белкового кора, образуют левую соленоидальную суперспираль. Нуклеосомы в свою очередь организованы в 30 нм нити (фибрины), которые также плотно уложены.
Главный принцип молекулярной генетики включает три процесса клеточной утилизации генетической информации.
Репликация ДНК
Транскрипция
РНК
Трансляция
Белок
Первая стадия включает репликацию - копирование родительской ДНК с образованием дочерней молекулы ДНК, имеющей идентичную последовательность нуклеотидов.
Вторая стадия, транскрипция, представляет процесс, в котором части закодированной генетической информации точно копируются в форме молекул РНК.
Третья стадия, трансляция, в которой генетическая информация, закодированная в информационных РНК, транслируется на рибосомах в белки с специфичной аминокислотной последовательностью.
Аминокислотам отвечают определенные информационные единицы РНК, называемые кодонами
.
Стандартный генетический код является универсальным для всех видов живых организмов, минимальные отклонения существуют лишь в митохондриях. Синтез белка идет на рибосомах. На первой стадии синтеза аминокислоты в цитозоле активируются ферментом аминоацил-т-РНК-синтетазой.
СТАНДАРТНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
| UUU |
Phe |
UCU |
Ser |
UAU |
Tyr |
UGU |
Cys |
| UUC |
Phe |
UCC |
Ser |
UAC |
Tyr |
UGC |
Cys |
| UUA |
Leu |
UCA |
Ser |
UAA |
Stop |
UGA |
Stop |
| UUG |
Leu |
UCG |
Ser |
UAG |
Stop |
UGG |
Trp |
| CUU |
Leu |
CCU |
Pro |
CAU |
His |
CGU |
Arg |
| CUC |
Leu |
CCC |
Pro |
CAC |
His |
CGC |
Arg |
| CUA |
Leu |
CCA |
Pro |
CAA |
Gln |
CGA |
Arg |
| CUG |
Leu |
CCG |
Pro |
CAG |
Gln |
CGG |
Arg |
| AUU |
Ile |
ACU |
Thr |
AAU |
Asn |
AGU |
Ser |
| AUC |
Ile |
ACC |
Thr |
AAC |
Asn |
AGC |
Ser |
| AUA |
Ile |
ACA |
Thr |
AAA |
Lys |
AGA |
Arg |
| AUG* |
Met |
ACG |
Thr |
AAG |
Lys |
AGG |
Arg |
| GUU |
Val |
GCU |
Ala |
GAU |
Asp |
GGU |
Gly |
| GUC |
Val |
GCC |
Ala |
GAC |
Asp |
GGC |
Gly |
| GUA |
Val |
GCA |
Ala |
GAA |
Glu |
GGA |
Gly |
| GUG |
Val |
GCG |
Ala |
GAG |
Glu |
GGG |
Gly |
*/ AUG - служит также кодоном инициатором синтеза белка.
Генетическая инженерия
Изучение структуры генов, их функций оказало огромное влияние на создание технологий рекомбинантных ДНК. Изоляция гена от обширной хромосомы потребовала развития методов расчленения и соединения фрагментов молекулы ДНК, встраивания маленького вектора чужеродной ДНК в нативную цепь, а затем в клетку, в которой он может клонироваться. В результате клетка приобретает новые функции, секретируя новые вещества.
Успехи в генетической инженерии революционизировали многие отрасли медицины, сельского хозяйства, промышленной биотехнологии. Первым организмом, использованным для клонирования рекомбинантной ДНК, стала Е. коли. Продукты рекомбинантных ДНК простираются от белков до сконструированных организмов. Большое количество белков, представляющих интерес для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства получаются в настоящее время с помощью этой технологии. Первым коммерческим продуктом, полученным методом рекомбинантной ДНК, стал инсулин человека, который начиная с 1982г. стал использоваться для лечения тяжелых форм диабета, а в настоящее время вытеснил инсулины животного происхождения. Позже таким способом были получены природные антикоагулянты крови, IX, VIII и VII факторы свертывания крови, гормон роста, интерферон, интерлекины, эритропоэтины, многие вакцины, факторы роста растений.
Выводы
.
1. Клонирование клеток микроорганизмов.
2. Отбор рекомбинантных плазмид.
3. Методы тестирования НК с помощью полимеразной цепной реакции.
Тестовые
вопросы
1. Какая нуклеиновая кислота участвует в передаче наследственной информации в клетке?
а) информационная РНК;
б) транспортная РНК;
в) рибосомная РНК;
2. Химическое строение генов?
а) сочетание четырёх азотистых оснований;
б) сочетаний трёх азотистых оснований;
в) сочетание пяти азотистых оснований.
3. В какой части клетки происходит синтез белка?
а) рибосоме;
б) ядре;
в) цитоплазме.
4. В чём главное отличие строения ДНК от РНК?
а) в азотистом основании;
б) в углеводном остатке;
в) в нахождении в клетке;
Тесты по дисциплине
1. В чём главное отличие строения ДНК от РНК?
а) в азотистом основании;
б) в углеводном остатке;
в) в нахождении в клетке;
2. Какова структура инсулина?
а) белковое вещество;
б) углеводное вещество;
в) витаминное вещество;
г) минеральное вещество.
3. Какой фермент катализирует реакцию декарбоксилирования аминокислот?
а) декарбоксилаза;
б) липаза;
в) гидролиза;
г) трансфераза.
4. Какое количество энергии выделяется при окислении глюкоза?
а) 628 ккал;
б) 100 ккал;
в) 50 ккал;
г) 25 ккал.
5. Из каких органических веществ состоит молекула жира?
а) жирные кислоты и многоатомный спирт;
б) жирные кислоты и азотистые основания;
в) фосфорная кислота и многоатомный спирт.
6. Какова средняя суточная потребность в витаминах?
а) 50 гр.;
б) 200 мг.;
в) 100 мг.;
г) 10 мг.
7. Назовите основное вещество с которого начинается процесс гликолиза?
а) углеводы;
б) жиры;
в) белки;
г) витамины.
8. Что такое «провитамины»
а) предшественники жирорастворимых витаминов;
б) предшественники водо-растворимых витаминов;
в) витаминоподобные соединения.
9. Какой связью соединяются остатки аминокислот в белковой молекуле?
а) пептидной;
б) водородной;
в) сложноэфирной.
10. Как классифицируют аминокислоты?
а) по количеству аминных и карбоксильных групп;
б) по химическому строению боковой цепи;
в) по количеству SH – групп.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. A. Lehninger, D. Nelson, М. Сох. Principles of Biochemistry. Worth Publishers. New York, 1993.
2. W. M. Becker, D. W. Deamer. The World of the Cell. The Benjamin Publisher. CA, 1991.
3. The Molecules of Life. Sci. Amer., 1985, p. 253.
4. Structure and Function of Proteins. Trends Bioch. Sci, 1989, p. 14.
5. A. Fersht. Enzyme Structure and Mechanism. Freeman and Company. New York, 1985.
6. M. K. Jain. Introduction to Biological Membranes. John Wiley. Inc. New York, 1988.
7. R. W. Bincley. Modern Carbohydrate Chemistry. CA, 1988.
8. P. B. Hackett at al. Introduction to Recombinant DNA Techniques. The Benjamin Publishing. CA, 1988.
9. T. M. Devlin. Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations. Third Edition. A John Willey & Sons, Inc., Publication. New York, 1992.
10. В.П. Панов, А.В. Панов. Введение в биохимию. М.: МГТА, 2001.
Для замечаний
Панов Валерий Петрович
Якунина Елена Сергеевна
Биохимия
Конспект лекций
Подписано к печати:
Тираж:
Заказ №