1.1
Существует несколько классификаций белков. В основе их лежат разные принципы: по степени сложности (простые и сложные); по форме молекул (глобулярные и фибриллярные белки); по растворимости в отдельных растворителях (водорастворимые, растворимые в слабых солевых растворах — альбумины, спирторастворимые — проламины, растворимые в щелочах — глютелины), по выполняемым ими функциям, например запасные белки, скелетные и т. д.
Остановимся несколько подробнее на классификации по степени сложности. По этому принципу белки делят на протеины (простые белки), состоящие только из остатков аминокислот, и протеиды (сложные белки), состоящие из белковой (апобелок) и небелковой частей (простетическая группа).
Протеины — запасные, скелетные, отдельные ферментные белки. По растворимости в отдельных растворителях выделим только главные:
альбумины — белки с относительно небольшой молекулярной массой, хорошо растворимые в воде и в слабых солевых растворах; типичный представитель альбуминов — белок яйца — овальбумин;
глобулины — растворяются в водных растворах солей. Это очень распространенные белки, входят в состав мышечных волокон, крови, молока, они составляют большую часть семян бобовых и масличных культур. Представителем глобулинов животного происхождения является лактоглобулин молока;
проламины — растворяются в 60—80 %-ном растворе этилового, спирта. Это характерные белки семян злаков, например: глиадин — пшеницы и ржи, зеин — кукурузы, авенин — овса, гордеин — ячменя;
глютелины — растворяются только в растворах щелочей. Из них следует выделить оризенин из семян риса и глютенин клейковинных белков пшеницы.
Протеиды — из этой группы сложных белков отметим только следующие:
нуклеопротеиды — кроме белка включают нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты относятся к важнейшим биополимерам, которым принадлежит огромная роль в наследственности;
липопротеиды — содержат кроме белка липиды. Содержатся в протоплазме и мембранах. Принимают участие в формировании клейковинных белков;
фосфопротеиды — кроме белка присутствует фосфорная кислота. Им принадлежит важная роль в питании молодого организма. Пример: казеин — белок молока.
Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды[1]) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа-аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке.
1.2
Однако только Э. Фишер (1902) сформулировал полипептидную теорию строения. Согласно этой теории, белки представляют собой сложные полипептиды, в которых отдельные аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, возникающими при взаимодействии α-карбоксильных СООН- и α-NН2-групп аминокислот. На примере взаимодействия аланина и глицина образование пептидной связи и дипептида (с выделением молекулы воды) можно представить следующим уравнением:
На молекулярном уровне фено-типическая неоднородность проявляется как полиморфизм белков — существование разных форм белка, выполняющих одинаковые или очень сходные функции (изобелки)
Наследственные протеинопатии развиваются в результате повреждений в генетическом аппарате данного индивидуума. Какой-либо белок не синтезируется вовсе или синтезируется, но его первичная структура изменена. Примеры наследственных протеинопатии - гемоглобинопатии, рассмотренные выше. В зависимости от роли дефектного белка в жизнедеятельности организма, от степени нарушения конформации и функции белков, от гомо- или гетерозиготности индивидуума по этому белку наследственные протеинопатии могут вызывать болезни, протекающие с различной степенью тяжести, вплоть до летального исхода ещё до рождения или в первые месяцы после рождения.
Гомологичными называют белки, выполняющие у разных видов одинаковые функции, например гемоглобин у всех позвоночных осуществляет транспорт 02, цитохром с — митохондриальный белок, участвующий в процессах биологического окисления. Гомологичные белки большинства видов:
— имеют одинаковую или очень близкую молекулярную массу;
— во многих положениях содержат одни и те же аминокислоты, называемые инвариантными остатками;
— в некоторых положениях наблюдаются значительные различия аминокислот — так называемые вариабельные аминокислотные остатки;
1.3
Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за сщет взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определенную пространственную трехмерную структуру, называемую конформацией. В белках выделяют 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры
Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями. Ниже приведены самые распространённые типы вторичной структуры белков:
α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм[15] (так что на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм), спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L). Хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная..
β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга (0,347 нм на аминокислотный остаток[15]) в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны (антипараллельная ориентация).
Третичная структура —трехмерное пространственное строение полипептидной цепи .Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. В стабилизации третичной структуры принимают участие:
ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики);
ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;
водородные связи;
гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула «стремится» свернуться так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.
Фибриллярные белки — образуют полимеры, их структура обычно высокорегулярна и поддерживается, в основном, взаимодействиями между разными цепями. Они образуют микрофиламенты, микротрубочки, фибриллы, поддерживают структуру клеток и тканей. К фибриллярным белкам относятся кератин и коллаген.
Глобулярные белки - белки, в молекулах которых полипептидные цепи плотно свернуты в компактные шарообразные структуры (глобулы). К глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, некоторые гормоны и другие белки, выполняющие в клетках динамические функции.
1.4
Четверичная структура (или субъединичная, доменная) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.
1.5
Белки, как и аминокислоты, амфотерны благодаря наличию свободных NH2- и СООН-групп. Для них характерны все свойства кислот и оснований. В зависимости от реакции среды и соотношения кислых и основных аминокислот белки в растворе несут или отрицательный, или положительный заряд, перемещаясь к аноду или катоду. Это свойство используется при очистке белков методом электрофореза.
2.7
Общая характеристика витаминов.
Витамины — необходимые для нормальной жизнедеятельности низкомолекулярные органические соединения с высокой биологической активностью, которые не синтезируется (или синтезируются в недостаточном количестве) в организме и поступают в организм с пищей. Содержание витаминов в продуктах значительно ниже, чем основных нутриентов — белков, жиров и углеводов, и не превышает, какправило,10-100 мг/100 г продукта.
Биологическая роль водорастворимых витаминов определяется их участием в построении различных коферментов. Биологическая ценность жирорастворимых витаминов в значительной мере связана с их участием в контроле функционального состояния мембран клетки и субклеточных структур. Необходимость водо- и жирорастворимых витаминов для нормального течения различных биологических процессов предопределяет развитие выраженных нарушений в деятельности органов и систем при дефиците любого из витаминов. Под авитаминозами понимают полное истощение витаминных ресурсов организма. При гиповитаминозах отмечается резкое снижение обеспеченности организма тем или иным витамином. Введение в организм избытка витаминов может вести к серьезным патологическим расстройствам - гипервитаминозам. Наряду с гипо- и авитаминозами в последние годы выделяют еще одну форму дефицита витаминов — субнормальную обеспеченность организма человека витаминами, обозначаемую как маргинальную («биохимическую») недостаточность, которая представляет собой доклиническую стадию дефицита витаминов и характеризуется только биохимическими нарушениями
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИТАМИНОВ:1). Жирорастворимые витамины А, Д, Е, К
2).Водорастворимые витамины: витамин С, В(Тиамин (витамин В1)) Биотин (витамин Н).
Витамин D (кальциферол)- необходим для поддержания минерального гомеостаза. Известно, что он необходим для абсорбции кальция и фосфора в тонком кишечнике, их мобилизации из костной ткани и реабсорбции в почках. Посредством данных трех функций он играет важную роль в обеспечении соответствующего функционирования мышц, нервов, свертываемости крови, клеточного роста и использования энергии. Заболев-я : Рахит,
Остеомаляция, Остеопороз.
Витамин А (ретинол)- важен для зрения, роста и дифференциации клеток, а также он является компонентом антиоксидантной системы организма.
Фоторецепторные зрительные клетки, именуемые ''палочками'', в сетчатке глаза позволяют нам различать свет и тьму. Данные клетки содержат фоточувствительный пигмент, именуемый зрительным пурпуром (родопсином), который представляет собой соединение белка опсина и витамина А. Витамин А необходим для нормальной дифференциации эпителиальных клеток, клеток всех тканей, выстилающих организм, таких как кожа, слизистые оболочки, стенки кровяных сосудов и роговица. Забол-я: Куриная слепота; Отсутствие слезовыделения; Ухудшение зрения; Подверженность инфекциям, в особенности респираторным; Сухая шелушащаяся кожа; Потеря веса; Плохой рост костей; Повреждения зубной эмали; ДиареяЗамедленный рост; Бессонница, чувство усталости.
Основной функцией витамина Е (токоферол) является защита тканей организма от повреждающих реакций (пероксидного окисления), возникающих в процессе целого ряда нормальных метаболических процессов, и от экзогенных токсических факторов. В частности витамин Е :
-защищает биологические мембраны, присутствующие в нервах, мышцах и сердечно--сосудистой системе;
-помогает продлить жизнь эритроцитов
-помогает организму обеспечивать оптимальное использование витамина А.
Заболе-я: вялостьт, неврозы, апатичность, нарушения внимания.
Витамин К (филлохинон)- Витамин К необходим, прежде всего, для механизма свертывания крови, который защищает от смертельного кровотечения при порезах и ранах, а также от внутреннего кровотечения. Витамин К важен для синтеза протромбина, протеина, который превращает циркулирующий в крови фибриноген в практически нерастворимый протеин, именуемый фибрином, основной компонент свертывания крови.
Забол-я: Носовым кровотечениям; Появлению крови в моче; Желудочному кровотечению;
Капиллярному кровотечению, что приводиn к образованию гематом.
2.8
Витамин В1 (тиамин)- Тиамин необходим для метаболизма углеводов, в котором он выполняет функцию кофермента. Коферменты - это «вспомогательные» молекулы, активизирующие ферменты – белки, которые контролирую ход биохимических реакций протекающих в организме.
Тиамин-кофермент является ключевой молекулой для ряда реакций расщепления глюкозы. Кроме того, тиамин играет важную роль при передаче нервного импульса и в реакциях аэробного метаболизма. Известно около 25 ферментативных реакций, в которых участвует витамин В1, регулируя белковый, углеводный и жировой обмен.
Забол-я:
-Потеря аппетита
-Усталость
-Тошнота
-Психические отклонения (депрессия, снижение внимания)
-Желудочно-кишечные расстройства
-Дряблость и атрофированность мышц
-Геморрагический энцефалит
Витамин В2 (рибофлавин)- Рибофлавин действует как посредник при переносе электронов в различных окислительно-востановительных реакциях. Тем самым он участвует во множестве реакций метаболизма углеводов, жиров и белков, а также в реакциях по производству энергии в дыхательной цепи. Рибофлавиновые коферменты играют важную роль при превращениях пиридоксина (витамин В6) и фолиевой кислоты в их активные коферментные формы, и в превращениях триптофана в ниацин.
Забол-я :
-Слабость
-Утомляемость
-Склонность к простудным заболеваниям
-Воспалительные процессы на слизистых оболочках
-Шелушение эпителия кожи, особенно на лице
Витамин В3 - С участием кофермента А протекают следующие процессы:
--Активирование и окисление жирных кислот.
-Синтез стероидных соединений и кетоновых тел.
- в цикле Кребса.
-Синтез ацетилгликозаминов и ацетилхолина.
-Обезвреживание чужеродных соединений и аминов.
-Окисление пирувата.
При отсутствии витамина В3 возникают дерматиты, замедляется рост, наблюдается потеря веса, выпадение волос, дегенеративное изменение миелиновых оболочек спинного мозга, задних корешков седалищного нерва. С этим связаны дискоординация движений, появление “гусиного шага”, парличи, нарушение работы желудочно-кишечного тракта, органов размножения, надпочечников.
Витамин В5 (никотинамид) -участвует в метаболизме белков, жиров и углеводов, укрепляет нервную систему. Никотиновая кислота улучшает циркуляцию крови, снижает повышенное артериальное давление. При ее дифиците может быть бессонница, слабость, потеря аппетита, глоссит, гастрит и анемия.
2.9
Витамин В12 (кобаламин)- необходим для формирования кровяных телец, оболочки нервных клеток и различных белков. Он также участвует в метаболизме жиров и углеводов и важен для нормального роста. В число реакций, включающих метилкобаламин, входят биосинтез метионина, метана и ацетата.
Забол-я:
-Гемобластическая анемия
-Невропатия
-Симптомы недостаточности выражаются в слабости, утомляемости, возникновении одышки при физических усилиях, покалывании и онемении в конечностях (парестезии), воспалении языка (глоссите), потере аппетита и веса, потере чувства обоняния и вкуса, импотенции, психических расстройствах.
Витамин В9 (Фолиевая кислота) - Тетрагидрофолиевая кислота, являющаяся активной формой фолата в организме, действует в качестве кофермента во многих базовых метаболических реакциях. Она играет важную роль в метаболизме аминокислот, из которых состоят белки. Она также вовлечена в синтез нуклеиновых кислот, молекул - носителей генетической информации в клетке, а также - участвует в образовании эритроцитов и ряда компонентов нервной ткани. Поэтому фолиевая кислота необходима для образования и оптимального функционирования нервной системы и костного мозга.
Забол-я:
-Макробластическая анемия
-Раздражительность
-Слабость
-Бледность
-Изъязвленный, красный язык
-Легкие психические нарушения
-Диарея
Витамин В7 (Биотин)- биотин играет важную роль в углеводном обмене, взаимодействуя с гормоном поджелудочной железы инсулином. Кроме того, биотин участвует в производстве так называемой глюкокиназы, вещества, которое «запускает» обмен глюкозы. Его дефицит приводит к дерматиту кожных покровов, быстрой усталости и дневной сонливости.
2.10
Витамин С (аскорбиновая кислота)- участвует в синтезе коллагена, межклеточного ''цементирующего'' вещества, обеспечивающего структуру мышц, сосудистых тканей, костей и хрящей. Витамин С также необходим для здоровых зубов и десен и способствует усвоению железа из потребляемой пищи. Он также необходим для синтеза желчных кислот.
Наряду с этим исследования показали, что витамин С участвует в:
-синтезе ряда важных гормонов и нейромедиаторов;
-метаболизме фолиевой кислоты;
-иммунной функции;
-окислительно-восстановительной / антиоксидантной функции;
-метаболических реакциях определенных аминокислот, в частности предотвращающих образование потенциально канцерогенных нитрозаминов в желудке (в силу потребления содержащих нитриты продуктов, таких, как копченое мясо или маринованные огурцы).
Строение-: Витамин С получил название L-аскорбиновой кислоты. L-Аскорбиновая кислота представляет собой кристаллическое соединение, легко растворимое в воде с образованием кислых растворов. Наиболее замечательной особенностью этого соединения является его способность к обратному окислению (дегидрированию) с образованием дегидроаскорбиновой кислоты. Таким образом, L-аскорбиновая кислота и её дегидроформа образуют окислительно-восстановительную систему, которая может, как отдавать, так и принимать водородные атомы, точнее электроны и пратоны. Наиболее быстро витамин С разрушается в присутствии окислителей в нейтральной или щелочной среде при нагревании.
Причины- К С-гиповитаминозу предрасполагают следующие причины: отсутствие в рационе свежих овощей и фруктов, преимущественно углеводное питание за счет крупяных и мучных блюд. Дефицит в пище животных белков, витамина А и витаминов группы В ускоряет развитие С-гиповитаминоза. Имеет значение и сезонный фактор: в зимне-весенний период меньше овощей и фруктов, и содержание витамина С в них снижается, а также неправильная кулинарная обработка овощей и фруктов (длительная термическая обработка, несоблюдение оптимальных сроков варки, долгое хранение в воде, варка в открытой посуде, варка в присутствии солей железа и меди, ускоряющих окисление аскорбиновой кислоты).
Профилактика- постоянное потребление в достаточном количестве свежих овощей и фруктов (при отсутствии в тех или иных районах страны в зимне-весенний период свежих фруктов и овощей необходимо шире использовать в питании квашеные и моченые — капусту, арбузы, яблоки и др., а также соки, компоты, содержащие аскорбиновую кислоту); широкое использование в рационе вареных фруктов и овощей с максимальным сохранением их витаминной ценности, достигаемым с помощью рациональной кулинарной обработки.
3.1
Пищевой рацион должен содержать 80—90 г белков, 100— 105 г жиров, 360—400 г углеводов, энергетическая ценность его должна составлять 2750—2800 ккал.
Оптимальным в рационе практически здорового человека является соотношение белков, жиров и углеводов, близкое к 1:1,2:4. Это соотношение наиболее благоприятно для максимального удовлетворения как пластических, так и энергетических потребностей организма человека. Установлено, что суточная потребность в воде взрослого человека равна 30-40 г на 1 кг веса тела. В среднем же принято считать, что в сутки человек потребляет суммарно 2.5 л воды и столько же выводится из организма. К макроэлементам относят те элементы, рекомендуемая суточная доза потребления которых составляет более 200 мг. Макроэлементы, как правило, поступают в организм человека вместе с пищей.
3.4
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Первая реакция катализируется ферментом, цитратсинтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалатом, в результате образуется лимонная кислота:
Вторая реакция. Образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидрированию с образованием цис-аконитовой кислота, которая присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат):
Третья реакция лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота дегидируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы:
В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. Фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Мg2+ или Мn2+.
Четвертая реакция. Происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА. В реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, НS-КоА, ФАД и НАД+.
Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетаза. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:
Шестая реакция. Сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД, а сам фермент прочно связан с внутренней митохондриальной мембраной:
Седьмая реакция. Фумаровая кислота под действием фермента фумаратгидратазы (фумаразы) гидратируется и получается L-яблочная кислота (малат)
Восьмая реакция. Происходит окисление L-малата в оксалоацетат под действием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы:
Таким образом, за один оборот цикла состоящего из 8 ферментативных реакций, происходит полное окисление одной молекулы ацетил-КоА с образованием 12 молекул АТФ.
Энергетика ЦТК:
Образуется 3 НАДН2, 1 ФАДН2 и ГТФ.
Каждая молекула НАДН2 дает в системе тканевого дыхания 3 молекулы АТФ, ФАДН2 – 2 молекулы АТФ и ГТФ – 1 молекулу АТФ.
3*3АТФ + 2АТФ + 1АТФ = 12АТФ
Ацетил-КоА под действием цитратсинтазы передаёт ацетильную группу оксалоацетату с образованием лимонной кислоты, которая поcтупает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). В ходе одного оборота цикла лимонная кислота несколько раз дегидрируется и дважды декарбоксилируется с регенерацией оксалоацетата и образованием одной молекулы ГТФ (способом субстратного фосфорилирования), трёх НАДН и ФАДН2.
Суммарное уравнение реакций:
Ацетил-КоА + 3НАД+ + ФАД + ГДФ + Фн + 2H2O + КоА-SH = 2КоА-SH + 3НАДH + 3H+ + ФАДН2 + ГТФ + 2CO2
Регуляция цикла
Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится. Регуляция осуществляется и при помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса.
Биологическая роль
Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
3.6
В ходе многочисленных реакций дегидрирования, происходящих как во второй фазе катаболизма, так и в цикле Кребса, образуются восстановленные формы коферментов: НАДН+Н+ и ФАДН2. В то же время пул коферментов в клетке ограничен, поэтому восстановленные формы коферментов должны «разряжаться», т.е. передавать полученные атомы водорода на другие соединения с тем, чтобы в конечном итоге они были переданы у аэробных организмов на свой конечный акцептор кислород. Этот процесс «разрядки» или окисления восстановленных НАДН+Н+ и ФАДН2 выполняет метаболический путь, известный под названием главная цепь дыхательных ферментов. Она локализована во внутренней мембране митохондрий.
Главная цепь дыхательных ферментов ( в дальнейшем сокращенно ЦДФ) состоит из 3 сложных надмолекулярнных белковых комплексов, катализирующих последовательную передачу электронов и протонов с восстановленного НАДН+Н на кислород:
Первый надмолекулярный комплекс катализирует перенос 2 электронов и 2 протонов с восстановленного НАДН+Н+на КоQ с образованием восстановленной формы последнего КоQH2. В состав надмолекулярного комплекса входит около 20 полипептидных цепей, в качестве простетических групп некоторых из них входит молекула ФМН и один или несколько так называемых железосерных центров (FeS)n. Электроны и протоны с НАДН+Н+вначале переносятся на ФМН с образованием ФМНН2, затем электроны с ФМНН2 переносятся через железосерные центры на КоQ, после чего к КоQ присоединяются протоны с образованием его восстановленной формы:
Следующий надмолекулярный комплекс комплекс III также состоит из нескольких белков: цитохрома b, белка, имеющего в своем составе железосерный центр и цитохрома С1. В состав любого цитохрома входит геминовая группировка с входящим в неё атомом железа элемента с переменной валентностью, способного и принимать электрон, и отдавать его. Начиная с КоQН2 пути электронов и протонов расходятся. Электроны с КоQН2 передаются по цепи цитохромов, причем одновременно по цепи передается по 1 электрону, а протоны с КоQН2 уходят в окружающую среду.
Цитохром С оксидазный комплекс ( комплекс IV ) состоит из двух цитохромов: цитохрома а и цитохрома а3 . Цитохром а имеет в своем составе геминовую группировку, а цитохром а3 кроме геминовой группировки в своем составе содержит еще и атом Cu. Электрон при участии этого комплекса переносится с цитохрома С на кислород.
НАД+ , КоQ и цитохром С не входят в состав ни одного из описанных комплексов. НАД+ служит коллекторомпереносчиком протонов и электронов с большого ряда окисляемых в клетках субстратов. Функцию коллектора электронов и протонов выполняет также КоQ, принимая их с некоторых окисляемых субстратов ( например, с сукцината или ацилКоА ) и передавая электроны на систему цитохромов с выводом протоны в окружающую среду. Цитохром С также может принимать электроны непосредственно с окисляемых субстратов и передавать их далее на четвертый комплекс ЦДФ.
Так, при окислении сукцината работает сукцинат:КоQоксидаредуктазный комплекс ( Комплекс II ), передающий протоны и электроны с сукцината непосредственно на КоQ, минуя НАД+:
Для того, чтобы молекула кислорода превратилась в 2 иона О2, на нее должны быть перенесены 4 электрона. Принято считать, что по цепи переносчиков электронов последовательно переносится 4 электрона с двух молекул НАДН+Н+ и до принятия всех четырех электронов молекула кислорода остается связанной в активном центре цитохрома а3. После принятия 4 электронов два иона О2 связывают по два протона каждый, образуя таким образом 2 молекулы воды.
В цепи дыхательных ферментов используется основная масса поступающего в организм кислорода до 95%.
3.7
3.8 Окислительное фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов, его механизм по митчелу. Коэффицент Р/О. разобщение окисления и фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование на уровне субстрата. Его значение.
при переносе пары электронов с НАДН+Н+ на атом кислорода синтезируется максимум 3 молекулы АТФ. Мерой эффективности процесса окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов служит коэффициент Р/О; количество атомов фосфора, включенных из неорганического фосфата в состав АТФ, в расчете на 1 связанный атом кислорода, пошедший на образование воды в ходе работы дыхательной цепи. При окислении НАДН+Н+ он равен 3, при окислении ФАДН2( КоQН2) он составляет 2 и при окислении восстановленного цитохрома С он равен 1.
Существует множество теорий аккумуляции энергии. Наиболее обоснованной на настоящий момент является химиоосмотическая концепция сопряжения, выдвинутая Митчелом. Суть химиоосмотической концепции сопряжения в следующем: свободная энергия, выделяющаяся при движении электронов по цепи дыхательных ферментов, используется для откачки протонов «Н+» из внутреннего пространства, т.е. матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану митохондрий в межмембранное пространство. В результате в межмембранном пространстве митохондрий накапливаются протоны, а в матриксе митохондрий накапливаются «ОН». Перемещение «Н+» из внутреннего пространства митохондрий в окружающую среду осуществляется за счет анизотропного расположения в мембране митохондрий ферментных комплексов, причем на уровне каждого из 3 комплексов главной дыхательной цепи при прохождении через него пары электронов из внутреннего пространства митохондрий в межмембранное пространство выбрасывается два протона. Сама же внутренняя мембранна непроницаема для протонов.В результате откачки протонов из матрикса митохондрий в мемжмебранное пространство создается разность электрохимических потенциалов относительно внутренней мембраны митохондрий. Она складывается из градиента концентрации протонов относительно внутренней митохондриальной мембраны ;снаружи концентрация протонов выше, чем изнутри, и разности электрического заряда относительно этой мембраны с наружной стороны мембраны заряд положительный, тогда как изнутри отрицательный.
Система, имеющая в своей структуре градиент электрохимического потенциала, является системой, имеющей запас химической энергии. Эта химическая энергия используется в дальнейшем для синтеза АТФ. Трансформация энергии электрохимического градиента в энергию макроэргических связей АТФ осуществляется в ходе работы надмолекулярного белкового комплекса, являющегося структурным компонентом внутренней митохондриальной мембранны. Этот комплекс состоит из двух субъединиц: F0 и F1. Субъединица F0 пронизывает внутреннюю митохондриальную мембрану, образуя туннель, через который протоны могут двигаться по градиенту концентрации из межмембранного пространства в матрикс митохондрии. Субъединица F1, состоящая из нескольких полипептидных цепей, прикреплена к субъединице F0 c внутренней стороны мембранны и представляет собой фермент АТФсинтетазу, способную использовать свободную энергию, выделяющуюся при движении протонов по градиенту электрохимического потенциала, для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.
Таким образом, по Митчелу аккумулирование свободной энергии, выделяющейся в ходе работы цепи дыхательных ферментов, состоит из двух этапов: на первом этапе энергия, выделяющаяся при движении электронов по дыхательной цепи, трансформируется в энергию электрохимического градиента, а на втором этапе энергия электрохимического градиента трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ. (Примерами окислительного фосфорилирования на уровне субстрата могут служить два далее приведенных превращения:
При окислительном декарбоксилировании 2оксоглутарата в цикле Кребса на первом этапе энергия окисления накапливается, во-первых, в виде энергии восстановленного НАДН+Н+ , во-вторых, в виде энергии макроэргической связи продукта окисления сукцинила~КоА. На следующем этапе энергия макроэргической связи сукцинил~КоА трансформируется в энергию макроэргической пирофосфатной связи ГТФ.
Часть процесса окислительного расщепления глюкозы. Промежуточный продукт этого метаболического пути 3фосфоглицериновый альдегид подвергается окислению с образованием 1,3 дифосфоглицериновой кислоты, причем энергия окисления накапливается в виде энергии восстановленного НАДН+Н+ и энергии макроэргической связи окисленного субстрата реакции с остатком фосфорной кислоты. На следующем этапе энергия макроэргической связи 1,3дифосфоглицериновой кислоты опять же трансформируется в энергию макроэргической пирофосфатной связи АТФ. ПО ЖЕЛАНИЮ)
Разобщение окисления и фосфорилирования.
Нарушение целостности внутренней мембраны митохондрий будет сопровождаться нарушением синтеза АТФ, поскольку разрядка электрохимического градиента будет идти в обход системы синтеза АТФ; в то же время работа ферментных комплексов дыхательной цепи будет продолжаться, другими словами, окисление будет идти, тогда как фосфорилирование будет нарушено, частично или полностью. Такое состояние известно под название разобщения окисления и фосфорилирования. Коэффициент Р/О при этом при окислении НАДН+Н+ становится меньше 3 и может принимать любые значения вплоть до 0. Поскольку в неповрежденных митохондриях скорость окисления лимитируется эффективностью работы сопряженного с ним процесса фосфорилирования, то при разобщении скорость окисления в митохондриях возрастает. К числу соединений, получивших название веществ-разобщителей, относятся полихлорфенолы и нитрофенолы, используемые в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями; к ним относится, например, ацетилсалициловая кислота, используемая в медицине в качестве жаропонижающего средства. Разобщающим эффектом обладают также высшие жирные кислоты в высоких концентрациях. В митохондриях бурой жировой ткани обнаружен специфический белок, получивший название «термогенин», выступающий в качестве проводника протонов через внутреннюю мембрану. Вызываемое с его помощью разобщение окисления и фосфорилирования в митохондриях буровой жировой ткани приводит к увеличению теплопродукции этой тканью, что является ее главной физиологической функцией.
3.9 Микросомальное окисление. Роль микросомального окисления в организме. Процессы гидроксилирования, участие в нем цитохрома Р450. Значение микросомального окисления в обезвреживании ксенобиотиков и инактивации лекарственных препаратов.
В клетках идут и окислительные процессы, связанные с присоединением кислорода к окисляемым субстратам, иначе говоря, процессы оксигенирования. Эти процессы не сопровождаются аккумуляцией энергии вся выделяющаяся свободная энергия превращается в теплоту. Поэтому вся совокупность окислительных процессов этого типа получила название СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ. Процессы оксигенирования идут в различных клеточных мембранах: мембранах эндоплазматической сети, мембранах митохондрий и др., но поскольку основное количество реакций оксигенирования идет в мембранах эндоплазматической сети, эти процессы обычно называют не совсем в принципе точным термином процессы микросомального окисления.
В процессах свободного окисления участвуют ферменты из группы оксигеназ: монооксигеназы ( гидроксилазы ) и диоксигеназы, а также цитохромы типа Цит.b5 или Цит.Р450 , т.е. цитохромы, отличные от тех, которые работают в главной цепи дыхательных ферментов.
В ходе процессов микросомального окисления происходит расщепление ряда метаболитов, в том числе идет катаболизм питательных веществ. Так, при участии диоксигеназы идет начальный этап расщепления аминокислоты триптофана, а при участии оксигеназы гомогентизиновой кислоты идет преобразование гомогентизиновой кислоты промежуточного продукта расщепления тирозина в малеилацетоацетат.С помощью диоксигеназ может идти разрыв углерод-углеродных связей и в ациклических соединениях. По такому механизму идет, например, превращение молекулы b-каротина в две молекулы ретиналя..
Важной функцией микросомального ( свободного ) окисления является инактивация биологически активных соединений, тем или иным путем поступающими в клетки. Это могут быть как экзогенные токсичные соединения ксенобиотики, так и соединения, образующиеся в самом организме. Подобно рода процессы получили название детоксикации или в более общем виде биотрансформации. Кстати, инактивация многих лекарственных препаратов, являющихся по своей сути типичными ксенобиотиками, идет путем их гидроксилирования. В качестве примера можно привести реакцию гидроксилирования антифебрина:
В ходе подобного рода реакций, во-первых, изменяется структура соединений, в результате чего снижается их токсичность; во-вторых, за счет появления дополнительных полярных группировок в молекуле улучшается их растворимость в воде, тем самым облегчается их выведение из организма; в третьих, появление в структуре соединений гидроксильных группировок облегчает их последующее участие в реакциях коньюгации следующем процессе биотрансформации.
Как известно, в гидроксилазных реакциях параллельно окислению основного соединения субстрата реакции должно окисляться еще одно соединение косубстрат. В качестве косубстратов в различных реакциях могут использоваться НАДН+Н+, НАДФН+Н+ , аскорбиновая кислота, 2оксуглутарат и др. Работа гидроксилаз всегда сопряжена с работой цитохромов b5 или Р450. Косубстраты выступают в качестве восстановителей цитохромов, в свою очередь цитохромы выступают в качестве окислителей связывающихся с ними субстратов. В общем виде ( самый простой вариант ) фукционирование такой системы может быть представлено в следующем виде:
Цитохром Р450 выступает в качестве коллектора электронов, поступающих с окисляемого субстрата и НАДФН+Н+ . Далее происходит передача этих электронов на кислород с последующим образованием конечных продуктов: гидроксилированного субстрата и воды. В мембранах эндоплазматической сети присутствует много различных изоферментных форм цитохрома Р450 , более того, многие ксенобиотики, в том числе и лекарственные, препараты могут индуцировать синтез этого цитохрома.
Обмен и функции углеводов
4.1 Углеводы, их классификация, биологическая роль отдельных классов. Важнейшие углеводы, входящие в состав организма человека.
Их химическое строение, свойства и значение для организма.
Углеводы составляют незначительную часть общего сухого веса тканей человеческого организма - не более 2%.Тем не менее, углеводы выполняют в организме целый ряд жизненно важных функции, принимая участие в структурной и метаболической организации органов и тканей.
С химической точки зрения углеводы представляют собой многоатомные альдегидо- или кетоноспирты или их полимеры, причем мономерные единицы в полимерах соединены между собой гликозидными связями.
Классификация углеводов.
Углеводы делятся на три больших группы: моносахариды и их производные, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды в свою очередь делятся, во первых, по характеру карбонильной группы на альдозы и кетозы и, во-вторых,по числу атомов углерода в молекуле на триозы, тетрозы, пентозы и т.д. Обычно моносахариды имеют тривиальные названия: глюкоза, галактоза, рибоза, ксилоза и др. К этой же группе соединений относятся различные производные моносахаридов, важнейшими из них являются фосфорные эфиры , уроновые кислоты, аминосахара.
Олигосахариды, представляющие собой полимеры, мономерными единицами которых являются моносахариды или их производные. Число отдельных мономерных блоков в полимере может достигать полутора или двух десятков. Все мономерные единицы в полимере связаны гликозидными связями. Олигосахариды в свою очередь делятся на гомополигосахариды, состоящие из одинаковых мономерных блоков [ мальтоза ] , и гетероолигосахариды - в их состав входят различные мономерные единицы[ лактоза ]. В большинстве своем олигосахариды встречаются в организме в качестве структурных компонентов более сложных молекул - гликолипидов или гликопротеидов
Полисахариды, представляющие собой полимеры, построенные из моносахаридов или их производных, соединенных между собой гликозидными связями, с числом мономерных единиц от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч. Эти полисахариды могут состоять из одинаковых мономерных единиц, т.е. являться гомополисахаридами, или же в их состав могут входить различные мо-номерные единицы - тогда мы имеем дело с гетерополисахаридами. Единственным гомополисахаридом в организме человека является гликоген, состоящий из остатков a-D - глюкозы. Более разнообразен набор гетерополисахаридов- в организме присутствуют гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфат, дерматансульфат, гепарансульфат и гепарин.
Функции углеводов различных классов. Моносахариды и их производные выполняют, во-первых, энергетическую функцию: окислительное расщепление этих соединений дает организму 55-60 % необходимой ему энергии. Во-вторых, используются в клетках для синтеза других необходимых клетке веществ, в том числе соединений других классов; В третьих, выполняют структурную функцию, являясь мономерными единицами других, более сложных молекул, таких как полисахариды или нуклеотиды.
Главной функцией гетероолигосахаридов является структурная функция - они являются структурными компонентами гликопротеидов и гликолипидов. В этом качестве гетероолигосахариды участвуют в реализации гликопротеидами целого ряда функций: регуляторной [ гормоны гипофиза тиротропин и гонадотропины - гликопротеиды ],коммуникативной [ рецепторы клеток - гликопротеины ], защитной [ антитела - гликопротеины ]. Кроме того, гетероолигосахаридные блоки, входя в состав гликолипидов и гликопротеидов, участвуют в формировании клеточных мембран, образуя, например, такой важный элемент клеточной структуры как гликокалликс.
Гликоген - единственный гомополисахарид, имеющийся в организме животных - выполняет резервную функцию. Гликоген в том или ином количестве присутствует практически во все клетках человеческого организма. Запасы гликогена в печени могут составлять до 3-5 % от сырой массы этого ор-гана [ порой до 10 % ], а его содержание в мышцах - до 1% общей массы ткани.
Гетерополисахариды выполняют в организме структурную функцию они входят в состав глизаминопротеогликанов; последние,наряду с структурными белками типа коллагена или эластина, формируют межклеточное вещество. Кроме того, молекулы гетерополисахаридов имеют в своей структуре множество полярных и несущих отрицательный заряд группировок, за счет которых они могут связывать большое количество воды и катионов, выполняя роль своеобразных депо для этих молекул.
Функции некоторых углеводов, имеющихся в организме, весьма специфичны. Так, гепарин является естественным антикоагулянтом - он препятствует свертыванию крови в сосудах, а лактоза, о чем уже упоминалось, является резервным углеводом женского молока.
4.1 2) переваривание углеводов в ЖКТ. Всасывание моносахаридов слизистой кишечника и транспорт их кровью. Суточная потребность в углеводах составляет примерно 400 г. В процессе усвоения пищи все экзогенные полимеры углеводной природы расщепляются до мономеров, а во внутреннюю среду организма из кишечника поступают лишь моносахариды и их производные. Расщепление крахмала или гликогена пищи начинается уже в ротовой полости за счет воздействия на эти гомополисахариды амилазы и мальтазы слюны. В желудке при пищеварении среда кислая и амилаза слюны, попадающая в желудок вместе с пищевым комком, практически не работает. Основная масса крахмала и гликогена пищи расщепляется в тонком кишечнике под действием амилазы поджелудочной железы до дисахаридов мальтозы и изомальтозы. Образовавшиеся дисахариды расщепляются до глюкозы при участии ферментов, секретируемых стенкой кишечника: мальтазы и изомальтазы. Мальтаза катализирует гидролиз a-1,4-гликозидных связей, а изомальтаза - гидролиз a-1,6-гликозидных связей. Поступившая с пищей сахароза расщепляется в кишечнике до глюкозы и фруктозы при участии фермента сахаразы, а поступившая лактоза - до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы. Оба этих фермента секретируются стенкой кишечника. Процессы расщепления гетероолигосахаридов или гетерополисахаридов благодаря тому что стенкой кишечника секретируются гликозидазы, способные расщеплять a - и b - гликозидные связи имеющиеся в этих полимерах. Всасывание моносахаридов происходит в тонком кишечнике, причем скорости всасывания различных моносахаридов существенно различны. Принято считать, что всасывание глюкозы и галактозы идет с участием механизмов активного транспорта, всасывание фруктозы и рибозы - по механизму облегченной диффузии, а всасывание маннозы или ксилозы по механизму простой диффузии. Следует отметить, что углеводы могут быть полностью исключены из пищевого рациона. В этом случае все необходимые для организма углеводы будут синтезироваться в клетках из соединений неуглеводный природы в ходе процессов, получивших название глюконеогенез.
Пул глюкозы, т.е. общее содержание свободной глюкозы в организме, составляет величину порядка 20 г. Пул глюкозы в организме есть результат динамического равновесия процессов, обеспечивающих пополнение этого пула и процессов, сопровождающихся использованием глюкозы из пула для нужд органов тканей.
Пополнение пула глюкозы идет за счет следующих процессов:
а/ поступление глюкозы из кишечника;
б/ образование глюкозы из других моносахаридов, например, из
галактозы или фруктозы;
в/ распад резервного гликогена в печени / гликогенез /; г/ синтез глюкозы из неуглеводных соединений,т.е. глюконеогенез.
Основные направления использования глюкозы из пула:
а/ окислительный распад глюкозы
б/ синтез резервного гликогена;
в/ синтез липидов;
г/ синтез других моносахаридов или их производных; д/ синтез заменимых аминокислот; е/ синтез других азотсодержащих соединений, необходимых клеткам.
Содержание глюкозы в крови составляет 3,3 - 5,5 мМ/л