17. Гормоны щитовидной и паращитовидной желез.

Основные два гормона которые вырабатывает щитовидная железа – трийодтиронин (в его составе три молекулы йода) и тетрайодтиронин или тироксин (содержит четыре молекулы йода). Сокращенно гормоны щитовидной железы обозначают как Т3 и Т4. В клетках и тканях организма Т4 постепенно превращается в Т3, который является главным биологически активным гормоном, непосредственно влияющим на обмен веществ. Образование гормонов щитовидной железы связано со специфическим белком тиреоглобулином. В приготовлении гормонов щитовидной железы необходимы два обязательных компонента - йод и незаменимая аминокислота тирозин. Для образования одной молекулы Т4 нужны четыре молекулы йода, а для Т3 - всего три. Без йода синтез гормонов прекращается полностью. Тирозин поступает в организм с пищей, он предшественник в образовании не только гормонов щитовидной железы, но и адреналина, меланина, дофамина. Гормоны ЩЖ необходимы для нормального роста и развития организма. Они контролируют образование тепла, скорость поглощения кислорода, участвуют в поддержании нормальной функции дыхательного центра, оказывают инотропный и хронотропный эффекты на сердце, увеличивают количество β- адренергических рецепторов в сердечной и скелетной мыщцах, жировой ткани и лимфоцитах, увеличивают образование эритропоэтина и повышают эритропоэз, стимулируют моторику желудочно-кишечного тракта, стимулируют синтез многих структурных белков в организме. С клетками щитовидной железы выделяется еще 1 гормон – кальцитонин. Это пептидный гормон. Основным эффектом кальцитонина является снижение уровня кальция в крови и отложение его в кости, дополнительным – некоторое снижение фосфата в крови.

Паращитовидная железа регулирует уровень кальция в организме в узких рамках, так чтобы нервная и двигательная системы функционировали нормально. Когда уровень кальция в крови падает ниже определённого уровня, рецепторы паращитовидной железы, чувствительные к кальцию, активируются и секретируют гормон в кровь. Паратгормон стимулирует остеокласты, чтобы те выделяли в кровь кальций из костной ткани. Физиологическое значение паращитовидной железы состоит в секреции ими паратгормона и кальцитонина, который является его антагонистом. Эти гормоны вместе с витамином D участвуют в регуляции обмена кальция и фосфора в организме.

18. Гормоны поджелудочной железы

Поджелудочная железа имеет одновременно эндокринную и экзокринную функции, т.е. осуществляет внутреннюю и внешнюю секрецию. Внешнесекреторная функция связана с выработкой панкреатического сока, обладающего большой ферментативной силой. По выводному протоку сок поступает в двенадцатиперстную кишку где продолжается процесс переваривания углеводов, жиров и белков. Внутрисекреторная деятельность поджелудочной железы связана с выработкой инсулина и глюкагона. На поджелудочной железе есть микроскопические скопления специфических клеток, которые называются островками Лангерганса. Всего в поджелудочной железе имеется около 1 млн. островков Лангерганса, в каждом из них находится более 5000 клеток, вырабатывающих гормоны. Эти клетки бывают двух видов - альфа- и бета-клетки. В альфа-клетках вырабатывается глюкагон, в бета-клетках - инсулин. Инсулин: Содержание глюкозы в крови повышается вследствие увеличения количества гормонов (в первую очередь, адреналина, кортизона, тироксина или глюкагона), влияющих на ее концентрацию в крови, а также после употребления пищи. В этом случае бета-клетки островков Лангерганса выделяют инсулин, который поступает в кровь. Под действием инсулина клетки усваивают и перерабатывают больше глюкозы. В результате этого ее содержание в крови снижается. При уменьшении концентрации глюкозы снижается содержание инсулина, что в свою очередь ведет к усилению секреции глюкагона.

Глюкагон: При больших перерывах между приемами пищи содержание глюкозы в крови снижается. Для увеличения ее концентрации альфа-клетки островков Лангерганса выделяют в кровь глюкагон. Стимулируя в печени процесс превращения гликогена в глюкозу, глюкагон таким образом способствует повышению ее содержания в крови. Также глюкагон стимулирует жировой обмен, подавляет секрецию желудочного сока и нормализует перистальтику кишечника.

Если в поджелудочной железе вырабатывается недостаточное количество инсулина или глюкагона, то содержание глюкозы в крови постоянно колеблется. При дефиците инсулина у человека возникает сахарный диабет, при дефиците глюкагона - гипогликемия. При сахарном диабете островки Лангерганса разрушаются и не вырабатывают инсулин либо организм человека перестает реагировать на выделяемый инсулин, в связи с чем содержание глюкозы в крови увеличивается. При гипогликемии поражаются альфа-клетки островков Лангерганса. При дефиците глюкагона в крови возникает дефицит глюкозы, что может привести к поражению головного мозга и внутренних органов. Больные должны принимать растворы глюкозы и напитки, богатые углеводами.

Поджелудочная железа вырабатывает еще два гормона. Соматостатин подавляет секрецию других гормонов поджелудочной железы, а также некоторые функции пищеварительного тракта. Панкреатический полипептид подавляет секрецию желчи и пищеварительных ферментов поджелудочной железы.

22. История учения о ферментах. Природа ферментов, их классификация. Сходство и различие биологических и химических катализаторов.

Ферменты – белки, которые обладают каталитической активностью и характеризуются очень высокой специфичностью и эффективностью действия. Все процессы в живом организме - дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, фотосинтез и другие – осуществляются с помощью ферментов.

Ещё в незапамятные времена люди в своей практической деятельности сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления сыров, солода и плесневых грибов - для осахаривания продуктов. Вероятно, первым, кто попытался создать общее представление о химических процессах в живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце XV века. В XVI и начале XVII века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические процессы. И Василий Валентин (первая половина XVI века), и Андрей Либавий (1550-1616 годы) считали ферменты (или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким не материальным силам. Другим последователем Парацельса был знаменитый голландский химик Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 годы). Именно он охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими. Качественный скачёк в развитии учения о ферментациях произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы. К концу XVIII века уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт. Первые успехи были достигнуты при изучении превращения крахмала в сахар. Решающая роль в этих исследованиях принадлежит работам петербургского академика К.С. Кирхгофа. В 1836 году Т. Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 году, А. Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки - трипсин. В XIX веке (1897 год) Эдуард Бухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 году - Эдуард Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии.

Ферменты по химической природе – этот белки. В отличие от белков у ферментов имеется активный центр (АЦ). АЦ – это уникальная для каждого фермента совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, строго ориентированных в пространстве за счет третичной или четвертичной структуры фермента. В АЦ различают субстратный и каталитический участки. Подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные. Простые ферменты состоят только из аминокислот – пепсин, трипсин, лизоцим. Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор. Кофактор в свою очередь может называться коферментом или простетической группой. Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД)(в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), пероксидаза (содержит гемм). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Как многие белки ферменты могут быть мономерами, т.е. состоят из одной субъединицы, и полимерами, состоящими из нескольких субъединиц.

Сходства ферментов и неорганических катализаторов:

1. катализируют только энергетически возможные реакции;

2. не изменяют равновесия в обратимых реакциях;

3. не изменяют направление реакции;

4. не расходуются в результате реакции.

Отличия между ферментами и неорганическими катализаторами (общие свойства ферментов):

1. сложность строения;

2. высокая мощность действия. За единицу фермента принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1мкМ вещества за 1 минуту;

3. специфичность;

4. это вещества с регулируемой активностью;

5. действуют в мягких условиях организма.

23. Основы классификации ферментов. Оксидоредуктазы

Сначала ферментам давали произвольные названия – пепсин, трипсин и т.п. когда количество ферментов возросло возникла необходимость классифицировать эти вещества. В 1896 году Дюкло предложил называть ферменты по субстрату, на который они действуют с прибавлением окончания –аза, например, сахараза и т.п. В последующем было отмечено, что ферменты могут действовать на одно вещество, но ускорять разные реакции. Поэтому в 1961 году на Международном Биохимическом съезде была принята классификация ферментов, которая используется по настоящее время. Несмотря на многочисленность ферментов, все реакции, ускоряемые ими можно разделить на 6 типов. В связи с этим различают 6 классов ферментов:

1. Оксиредуктазы (ОР) – ускоряют окислительно-восстановительные реакции (ОВР);

2. Трансферазы – ускоряют перенос различных групп атомов с одного вещества на другое;

3. Гидролазы – ускоряют расщепление сложных веществ до простых с участием воды (т.е. путем гидролиза);

4. Лиазы – ускоряют реакции распада веществ без участия воды или способствуют присоединению групп атомов по месту разрыва двойных связей;

5. Изомеразы – ведут реакции изомеризации;

6. Лигазы, или синтетазы – ускоряют синтез веществ за счет соединения молекул между собой.

Оксидоредуктазы, класс ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции; встречаются во всех живых клетках. Окисляемыми субстратами, на которые действуют оксидоредуктазы, могут быть спиртовая группа (–ОН), альдегидная (–СНО), кетонная (>СО), этильная (–СН2–СН2–) и др., а также восстановленные формы пиридиновых коферментов - никотинамидадениндинуклеотида (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ) и др. При этом восстанавливаются, т. е. служат акцепторами водорода и электронов, НАД, НАДФ, цитохромы, липоевая кислота, хиноны и др. Важнейшие представители оксидоредуктазы: дегидрогеназы (переносят водород и электроны при дыхании и фотосинтезе), оксидазы (окислителем служит O2), пероксидазы (окислитель H2O2), гидроксилазы (включают в субстрат один атом O2), оксигеназы (включают в субстрат оба атома O2).

26. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры, рН среды, концентрации фермента и субстрата.

Влияние температуры

Температура, при которой наблюдается максимальная активность ферментов, называется оптимальной. Для большинства ферментов оптимальной температурой является температура от +35С — +45С. Если фермент поместить в условия, ниже оптимальной температуры, будет происходить снижение его активности, такое состояние называется обратимой инактивацией фермента, т.к. если вновь поднять температуру до оптимальной, активность фермента возобновится. Если поместить фермент в условия, где температура будет выше оптимальной, то также будет происходить снижение его активности, но в данном случае необратимая инактивация, т.к. если понизить температуру до оптимальной, активность фермента не возобновится. Это объясняется тем, что высокая температура вызывает денатурацию молекулы фермента.

Влияние рН среды

Активность ферментов зависит от рН раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует значение рН, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит к понижению ферментативной активности.

Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента. При изменении рН от оптимальных значений происходит изменение ионизации функциональных групп молекулы белка. Например, при закислении среды происходит протонирование свободных аминогрупп (NH3+), а при защелачивании происходит отщепление протона от карбоксильных групп (СОО-). Это приводит к изменению конформации молекулы фермента и конформации активного центра; следовательно, нарушается присоединение субстрата, кофакторов и коферментов к активному центру. Кроме того, рН среды может влиять на степень ионизации или пространственную организацию субстрата, что также влияет на сродство субстрата к активному центру. При значительном отклонении от оптимального значения рН может происходить денатурация белковой молекулы с полной потерей ферментативной активности.

Оптимум значения рН у разных ферментов различный (рис. 2-18). Ферменты, работающие в кислых условиях среды (например, пепсин в желудке или лизосомальные ферменты), эволюционно приобретают конформацию, обеспечивающую работу фермента при кислых значениях рН. Однако большая часть ферментов организма человека имеет оптимум рН, близкий к нейтральному, совпадающий с физиологическим значением рН

Влияние концентрации фермента и субстрата

Чем больше фермента, тем скорость реакции выше. То же самое можно сказать о влиянии концентрации субстрата. Но теоретически для каждого фермента имеется насыщающая концентрация субстрата, при которой все АЦ фермента будут заняты субстратом и реакция будет на определенном уровне (максимальном), сколько бы субстрата мы не добавляли.

28. Теории объясняющие каталитическую эффективность (теория промежуточного комплекса, индуционной подгонки, напряженной конфигурации).

Теория промежуточных соединений:

В 1889 г. Аррениус выдвинул предположение, согласно которому действие катализатора заключается в том, что он образует промежуточное соединение (интермедиат). Можно представить себе, что катализатор (С) вступает в реакцию с реагентом, называемым субстратом (S), в результате чего образуется промежуточное соединение CS. Затем это промежуточное соединение разлагается, образуя продукт P и прежний катализатор С:

C+S=CS

CS=C+P

Таким образом, катализатор расходуется на первой стадии и регенерирует на второй стадии.

Согласно теории индуцированного соответствия, выдвинутой Кошландом младшим, в свободном ферменте (в отсутствие субстрата) каталитически активные группы Х и Х` расположены так, что они не могут одновременно взаимодействовать с субстратным фрагментом У. Поскольку молекула фермента довольно гибкая, а субстрат имеет жесткую структуру, энергетически менее предпочтительная, но каталитически активная конформация активного центра образуется лишь в фермент-субстратном комплексе. На образование ее тратится часть свободной энергии сорбции.

Рассмотрим индуцированное соответствие на примере фосфорилирующего белка - гексокиназы - его субстрату. Этот белок переносит фосфатную группу с АТФ на глюкозу. Но эта же фосфатная группа может быть перенесена и на воду; однако этого не происходит. В попытке ответить на вопрос, почему этого не происходит, Кошланд постулировал следующее.

1) До связывания с субстратом фермент находится в "открытой" форме (в которой он может захватить субстрат из воды, но не способен провести его фосфорилирование).

2) После связывания с субстратом домены поворачиваются, щель закрывается, вода из нее вытесняется, а все компоненты каталитического центра сходятся вместе: фермент - переходит в "закрытую", каталитически-активную форму, но вода вытеснена из активного центра и потому не конкурирует с субстратом за фосфорилирование.

3) После каталитического акта фермент снова открывается, и фосфорилированный субстрат уходит.

Впоследствии опыт полностью подтвердил эту гипотезу, но только для тех белков, которым нужно скрыть обрабатываемый субстрат от конкурирующей с ним воды. Для действия трипсина, например, этого не нужно, и в нем индуцированного соответствия субстрату не наблюдается: трипсин (а также - химотрипсин, эластаза, субтилизин и т.д.) не деформируется и опознает субстрат по простейшему принципу "ключ - замок".

Индуцированное соответствие достигается смещением либо крупных блоков, либо целых белковых доменов, - а не полной перестройкой укладки белковой цепи. А смещения эти происходят в основном путем мелких локальных деформаций.

Авторы теории напряжений (Ламри и Эйринг, Дженкс) полагают что силы сорбции используются для создания напряжений (деформаций) в молекулах реагирующих компонентов, способствующих протеканию реакции. Если же активный центр фермента жесткий, то субстрат, чтобы он мог с ним связаться, должен претерпеть некоторую деформацию. При этом предполагается, что активный центр устроен так, что в результате деформации молекула субстрата активируется (т. е. приобретает некоторые свойства, важные для образования переходного состояния реакции). В противном случае, когда жесткой является молекула субстрата, а конформационно лабилен фермент, схему катализа можно представить так же, как для механизма индуцированного соответствия. Легче всего представить индуцированное субстратом (или, в противном случае, белком) искажение конформации, которое включает сжатие (или растяжение) связей или изменение углов между связями. В реальных системах ни субстрат, ни фермент не являются жесткими молекулами. Поэтому при связывании претерпевают конформационные изменения, как правило, молекулы обоих реагентов.

30. Ингибирование ферментов (необратимое ингибирование, примеры, механизмы).

Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента, В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию. К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg2+), серебра (Ag+) и мышьяка (As3+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению.При наличии реактиваторов ферментативная функция восстанавливается. В больших концентрациях ионы тяжёлых металлов вызывают денатурацию белковой молекулы фермента, т.е. приводят к полной инактивации фермента.

Примером необратимого ингибитора может служить соединение диизопропилфторфосфат (ДФФ), которое ингибирует фермент ацетилхолинэстеразу, играющий важную роль в передаче нервных импульсов. Ацетилхолинэстераза катализирует гидролиз ацетилхолина, функционирующего в качестве нейромедиатора в определенных отделах нервной системы. Ацетилхолин выделяется стимулированной нервной клеткой в синапс, т.е. место соединения одного нейрона с другим. В синапсе ацетилхолин связывается с рецепторами следующего нейрона, вынуждая его проводить нервный импульс. Однако прежде чем второй импульс будет передан через синапс следующему нейрону, ацетилхолин, выделившийся после первого импульса, должен быть гидролизован ацетилхолинэстеразой в месте соединения нервных клеток. Продукты его распада - ацетат и холин - не способны действовать как нейромедиаторы. Необратимый ингибитор ДФФ, обладающий высокой реакционной способностью, присоединяется к гидроксильной группе остатка серина в активном центре ацетилхолинэстеразы, что приводит к образованию каталитически неактивного производного. В результате фермент перестает функционировать. ДФФ, одно из первых отравляющих веществ нервнопаралитического действия, в опытах на животных вызывает нарушение некоторых функций вследствие того, что пораженные нейроны утрачивают способность проводить нервные импульсы. Однако ДФФ обладает и полезными свойствами. На его основе был создан ряд относительно нетоксичных для людей и животных инсектицидов, например малатион. Сам по себе малатион неактивен и в организме высших животных разлагается на продукты, которые считаются безвредными. В организме же насекомых малатион превращается под действием ферментов в активный ингибитор их собственной ацетилхолинэстеразы. Выяснилось, что ДФФ ингибирует целый класс ферментов, к этим ферментам относится не только ацетилхолинэстераза, но и трипсин, химотрипсин, эластаза, фосфоглюкомутаза и коконаза. Характерная особенность всех ферментов, ингибируемых ДФФ, состоит в том, что они содержат в активном центре остаток серина, принимающий участие в каталитическом акте.

31. Обратимое ингибирование. Конкурентное, неконкурентное, бесконкурентное, субстратное.

Различают три типа обратимого ингибирования ферментов: конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное, в зависимости от того, удается или не удается преодолеть торможение ферментативной реакции путем увеличения концентрации субстрата.

Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным центром, но в отличие от субстрата связанный с ферментом конкурентный ингибитор не подвергается ферментативному превращению. Отличительная особенность конкурентного ингибирования состоит в том, что его можно устранить или ослабить, просто повысив концентрацию субстрата. Например, если при заданных концентрациях субстрата и конкурентного ингибитора активность фермента подавлена на 50 %, то мы можем уменьшить степень ингибирования, повысив концентрацию субстрата. В качестве примера можно привести действие малоновой кислоты на реакцию, которая катализируется сукцинатдегидрогеназой и связана с превращением янтарной кислоты в фумаровую. Добавление малоновой кислоты к реакционной смеси снижает или полностью останавливает ферментативную реакцию, так как она является конкурентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы. Сходства малоновой кислоты с янтарной достаточно для образования комплекса с ферментом, однако распад этого комплекса не происходит. При увеличении концентрации янтарной кислоты она вытесняет малоновую кислоту из комплекса, в результате активность сукцинатдегидрогеназы восстанавливается.

Неконкурентное ингибирование тоже обратимо, но не может быть ослаблено или устранено повышением концентрации субстрата. В случае неконкурентного ингибирования ингибитор присоединяется к ферменту не в активном центре, где связывается субстрат, а совсем в другом месте. При этом конформация молекулы фермента изменяется таким образом, что происходит обратимая инактивация его каталитического центра. Неконкурентные ингибиторы связываются обратимо как со свободным ферментом, так и с комплексом ES, образуя неактивные комплексы EI и ESI.

Неконкурентное ингибирование вызывается веществами, не имеющими структурного сходства с субстратами и часто связывающимися не с активным центром, а в другом месте молекулы фермента. Степень торможения во многих случаях определяется продолжительностью действия ингибитора на фермент. При данном типе ингибирования благодаря образованию стабильной ковалентной связи фермент часто подвергается полной инактивации, и тогда торможение становится необратимым. При обратимом неконкурентном ингибировании субстрат S и ингибитор I связываются с разными центрами, поэтому появляется возможность образования как комплекса EI, так и тройного комплекса EIS; последний может распадаться с освобождением продукта, но с меньшей скоростью, чем комплекс ES.

В редких случаях степень торможения активности фермента может увеличиваться с повышением концентрации субстрата. Для этого типа торможения был предложен термин "бесконкурентное ингибирование". Бесконкурентное ингибирование имеет место, когда ингибитор взаимодействует с ферментом только в составе фермент-субстратного комплекса, препятствуя его распаду. При бесконкурентном ингибировании ингибитор связывается только с фермент-субстратным комплексом, но не со свободным ферментом. Субстрат, связываясь с ферментом, изменяет его конформацию, что делает возможным связывание с ингибитором. Ингибитор, в свою очередь, так меняет конформацию фермента, что катализ становится невозможным.

Ингибирование субстратом — частный случай бесконкурентного ингибирования, когда две молекулы субстрата связываются с ферментом, что препятствует образованию продукта. Активность многих ферментов тормозится избытком субстрата, причем имеется несколько механизмов этого процесса.

1) Если в образовании фермент-субстратного комплекса участвует несколько функциональных групп фермента, то возможно одновременное присоединение к активному центру двух или более субстратов, что однозначно приведет к образованию неактивного комплекса.

2) В случае избытка субстрата возможно его присоединение не только к активному центру, но и к другим химическим группировкам, функционально связанным с активным центром. Такого рода взаимодействие может помешать ферментативной реакции.

3) Увеличение концентрации субстрата может повысить ионную силу реакционной среды и, как следствие, затормозить скорость ферментативной реакции.

Торможение продуктами реакции связано с тем, что они могут связываться с ферментом или с каким-либо другим компонентом системы таким образом, что скорость прямой реакции снижается.

32. Регуляция ферментативной активности. Мультиферментные системы.

Регулирование активностей ферментов в клетке происходит различными путями. Для большинства ферментов, которые подчиняются уравнению Михаэлиса-Ментен, важным регуляторным фактором является концентрация субстрата. Была введена величина Км представляющая концентрацию субстрата, при которой скорость реакции составляет 50% максимальной. Так как в клетке концентрация субстратов близка к Км или несколько ниже ее, то незначительные изменения концентрации субстратов приводят к относительно большим изменениям скоростей реакций.

Регуляция активности фермента может осуществляться за счет прямого воздействия на центры связывания субстрата, например, ингибирование фермента аналогами субстрата. Прочно связываются с активным центром фермента ингибиторы белковой природы. Например, ингибитор трипсина – белок с молекулярной массой 6000. Он обладает сильным ингибирующим эффектом, так как строго комплементарен структуре активного центра фермента.

Однако гораздо чаще встречается аллостерический (нековалентный) тип регуляции активности ферментов. Активность фермента может изменяться и в результате, так называемой ковалентной (посттрансляционной) модификации, при которой происходит или отщепление части молекулы или присоединение к ферменту небольших групп. В обоих случаях эти модификации молекулы фермента связаны с разрывом или образованием ковалентных связей.

Известно, что протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта (пепсин, трипсин, химотрипсин) синтезируются в виде неактивных предшественников – проферментов. Регуляция активности фермента в этом случае заключается в том, что под действием специфических веществ (ферментов) неактивная форма превращается в активную. Так, например, трипсин синтезируется в поджелудочной железе в виде трипсиногена, который, попадая в тонкий кишечник, под действием фермента энтерокиназы превращается в трипсин. При этом от трипсиногена отщепляется гексапептид. Трипсин в свою очередь разрывает одну пептидную связь в химотрипсиногене, что приводит к структурным изменениям в активном центре и превращает его в активный химотрипсин.

Превращение пепсиногена в активную форму пепсин также связано с отщеплением пептида от молекулы неактивного пепсиногена. Синтез протеолитических ферментов в виде проферментов имеет важное значение в процессе регулирования процесса пищеварения в желудочно-кишечном тракте.

Регулирование активности протеолитических ферментов в желудочно-кишечном тракте происходит не только превращением профермента в активный фермент, но и путем связывания ферментов с естественными ингибиторами. В слизистой оболочке желудка и кишечника были найдены низкомолекулярные белки, ингибирующие действие пепсина и трипсина. Весьма активный ингибитор пепсина был выделен из желудка свиньи, а ингибитор трипсина из поджелудочной железы.

Ковалентная модификация фермента с изменением его активности может происходить не только в результате разрыва пептидных связей, а путем присоединения к молекуле фермента специфической группы. Например, регуляция активности фермента гликогенсинтетазы, играющего основную роль в тонкой регуляции синтеза гликогена осуществляется путем фосфорилирования и дефосфорилирования его.

Фосфорилирование с участием протеинкиназ является распространенной формой регуляции активности ферментов путем ковалентной модификации. Активность большого числа ферментов и интенсивность соответствующих процессов обмена веществ определяется соотношением фосфорилированных и дефосфо – рилированных форм этих ферментов.

Регуляция ферментативной активности может осуществляться за счет усиления синтеза уже имеющихся ферментов или даже новых ферментов в ответ на изменившиеся условия существования (появление новых пищевых факторов, химических веществ).

При воздействии специфических веществ «индукторов» или «репрессоров» происходит соответственно инициация или подавление процесса транскрипции. Эта регуляция, осуществляемая в процессе биосинтеза фермента, может приводить к изменению концентрации фермента, изменению типов имеющихся в клетке ферментов и изоферментного состава.

Увеличение активности связано с повышенным синтезом соответствующих ферментов. Велико значение индукции ферментов при патологии. Индукция ферментов часто сопряжена с развитием защитных процессов при возникновении патологических состояний организма. В то же время следует иметь в виду, что в некоторых случаях усиленный синтез ферментов в ответ на изменение внешних условий среды может привести к развитию патологического процесса.

В ряде случаев при поступлении в организм лекарственных или других чуждых ему веществ также происходит индукция ферментов. Однако это не всегда способствует адаптации организма к новому для него веществу и не всегда обеспечивает более благоприятные условия для жизнедеятельности организма, так как продукт ферментативного превращения может быть более токсичен, чем исходное вещество. В этом случае эффект будет отрицательный.

М у л ь т и ф е р м е н т н ы е с и с т е м ы - это комплексы разных ферментов, катализирующих последовательные стадии превращения какого-либо субстрата. В качестве примера приводим пируватдегидрогеназную систему, катализирующую сложный многостадийный процесс - окислительное декарбоксилирование пирувата, описываемое уравнением:

Пируват + НS-КоА + НАД+® Ацетил- КоА+СО2+ НАД•Н + Н+

Пируватдегидрогеназная система является структурной, состоящей из множества копий (молекул) трех разных ферментов: пируватдегидрогеназы, липоат-ацетилтрансферазы, липоамид-дегидрогеназ и пяти кофакторов: тиамин-пирофосфата (ТПФ), флавинадениндинуклеотида (ФАД), кофермента А ( НS-КоА), никотинамидадениндинуклеотида (НАД+) и липоевой кислоты ( СН2 - СН2 - СН - (СН2)4 СООН).

Каждый из ферментов пируватдегидрогеназной системы катализирует разные стадии многостадийного процесса. В растительных и животных организмах функционируют и другие мультиферментные системы.

33. Аллостерические ферменты. Механизм действия, структура. Гетеротропные ферменты. Кооперативный эффект.

Аллостерическая регуляция характерна для ферментов, состоящих из 2 и более субъединиц и имеющих более одного субстратсвязывающего центра. Эти ферменты содержат аллостерические центры (отличные от субстратсвязывающих), которые способны связывать определенные вещества, носящие название аллостерических эффекторов. Если связывание эффектора снижает скорость ферментативной реакции, то его называют аллостерическим ингибитором, если увеличивает – аллостерическим активатором. В качестве аллостерических эффекторов ферментов выступают различные метаболиты, гормоны, коферменты. Одним из путей регуляции аллостерических ферментов является угнетение посредством «отрицательной обратной связи» или «ретроингибирование», т.е. угнетение конечным продуктом реакции. Некоторые молекулы ферментов имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к положительным, другие к отрицательным эффекторам. Аллостеричекие центры ферментов так же, как и активные центры, могут проявлять резко выраженную специфичность, когда они могут связывать только один определенный эффектор или относительную, когда может происходить связывание сходных по структуре эффекторов.

Механизм действия аллостерического эффектора связан с изменением конформации субъединиц из которых построен фермент, что сказывается на каталитической активности фермента. Аллостерическая регуляция является одним из самых тонких и высоко специфичных механизмов «быстрого реагирования» на те или иные процессы в окружающей среде и используется для точной настройки метаболических систем. Эффектор может действовать только в одной или нескольких тканях организма и быть связанным со строго определенным звеном метаболизма.

Для аллостерических ферментов характерно явление кооперативности. Оно проявляется в том, что каталитические центры субъединиц взаимодействуют не автономно, а взаимосвязано. Взаимодействие с субстратом или эффектором одного из таких центров усиливает способность к взаимодействию остальных активных центров (положительная кооперативность). В некоторых случаях связывание одним активным центром субстрата понижает способность к связыванию остальных центров (отрицательная кооперативность). Наиболее хорошо положительная кооперативность изучена на примере молекулы гемоглобина, которая имеет четыре связывающих 02 участка (группы гема). Связывание молекулы кислорода одним центром, приводит к усиленному взаимодействию с кислородом остальных участков. Сродство гемоглобина к 02 к последней (четвертой) группе более чем в 100 раз больше, чем к первой. Так как связывающие кислород участки разделены в молекуле большими расстояниями, то они не могут взаимодействовать непосредственно. Очевидно, при оксигенировании меняется конформация молекулы в целом, что приводит к изменению сродства связывающих участков. Кооперативность также является одним из путей регуляции активности ферментов.

Гетеротропный фермент — аллостерический фермент, конформация и активность которого модулируется биомолекулами, отличающимися от субстрата. Напр., к Г.ф. относится аспартаттранскарбамилаза бактерий.

34. Регуляция активности путем ковалентной модификации. Активация зимогенов.

Ковалентная модификация это механизм регуляции активности ферментов за счет присоединения с помощью ковалентной связи в регуляторном центре фермента атомной группировки или отщепления этой группировки. Присоединение к ферменту ковалентной связью дополнительной группировки приводит к изменению конформации белка-фермента, что сопровождается изменением структуры активного центра и изменением эффективности катализа. Отщепление этой группировки обеспечивает восстановление исходной конформации фермента, а следовательно, и возвращение к исходному уровню его каталитической активности. В качестве таких модифицирующих группировок могут выступать остатки адениловой кислоты, гликозильные остатки, но чаще всего встречается фосфорилирование присоединение остатков фосфорной кислоты. Поскольку в ходе ковалентной модификации происходит образование или расщепление ковалентной связи между ферментом и группировкой модулятором, для эффективной работы этого механизма требуется два дополнительных фермента: один фермент обеспечивает присоединение группировки-модулятора к регуляторному ферменту, второй фермент обеспечивает удаление этой группировки. По-видимому, эти дополнительные ферменты обеспечивают присоединение группировки-модулятора к строго определенному аминокислотному остатку полипептидной цепи регуляторного фермента, так же как и избирательное ее отщепление. Примерами работы таких регуляторных механизмов могут служить: активация гликогенфосфорилазы путем ее фосфорилирования, активация глутаматдегидрогеназы путем ее аденилирования, снижение активности пируватдегидрогеназного комплекса в результате его фосфорилирования, снижение активности гликогенсинтетазы путем ее фосфорилирования.

Многие ферменты, участвующие в переваривании пищи, образуются в клетках желез пищеварительного тракта в неактивной форме, в форме так называемых зимогенов. Последние активируются только после того, как попадают в желудочно-кишечный тракт; благодаря этому не происходит переваривания тех клеток, в которых образуются зимогены. В некоторых ферментных системах зимогены неактивны потому, что их каталитическое действие замаскировано присоединением дополнительного отрезка пептидной цепи, что препятствует доступу субстратов к активному центру фермента. Удаление этой блокирующей группы ведет к необратимой активации зимогена; данная молекула фермента в таких системах не может быть возвращена из положения «включено» в положение «выключено».

Примерами зимогенов являются трипсиноген и химотрипсиноген в результате образуются трипсин и химотрипсин. Фермент кишечника энтеропептидаза гидролизует в трипсиногене одну пептидную связь лизил — изолейцил; в результате освобождаются трипсин и гексапептид.

38. Зависимость между концентрацией субстрата и скоростью ферментативных реакций. Понятие о константе Михаэлиса.

Если концентрацию ферментов оставить постоянной, изменяя только количество субстрата, то график скорости ферментативной реакции описывают гиперболой. При увеличении количества субстрата начальная скорость возрастает. Когда фермент становится полностью насыщенным субстратом, т.е. происходит максимально возможное при данной концентрации фермента формирование фермент-субстратного комплекса, наблюдают наибольшую скорость образования продукта. Дальнейшее повышение концентрации субстрата не приводит к увеличению образования продукта, т.е. скорость реакции не возрастает. Данное состояние соответствует максимальной скорости реакции Vmax.

Таким образом, концентрация фермента - лимитирующий фактор в образовании продукта. Это наблюдение легло в основу ферментативной кинетики, разработанной учёными Л. Михаэлисом и М. Ментен в 1913 г.

Ферментативный процесс можно выразить следующим уравнением:

E+S<=>ES->E+P

где k1 - константа скорости образования фермент-субстратного комплекса; k-1 - константа скорости обратной реакции, распада фермент-субстратного комплекса; k2 - константа скорости образования продукта реакции.

Следующее соотношение констант скоростей (k-1 + k2)/k1 называют константой Михаэлиса и обозначают Кm.

Скорость реакции пропорциональна концентрации фермент-субстратного комплекса ES, a скорость образования ES зависит от концентрации субстрата и концентрации свободного фермента. На концентрацию ES влияет скорость формирования и распада ES.

Наибольшая скорость реакции наблюдается в том случае, когда все молекулы фермента находятся в комплексе с субстратом, т.е. в фермент-субстратном комплексе ES, т.е. [Е] = [ES].

Vmax[S]

Km + [S]

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата выражается следующим уравнением (математическое выведение этой формулы можно найти в пособиях по ферментативной кинетике): V =

Это уравнение получило название уравнения Михаэлиса-Ментен.

В случае, когда скорость реакции равна половине максимальной, Km = [S]. Таким образом, константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой достигается половина максимальной скорости.

Уравнение Михаэлиса-Ментен - основное уравнение ферментативной кинетики, описывающее зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Если концентрация субстрата значительно больше Km (S >> Km), to увеличение концентрации субстрата на величину Кm практически не влияет на сумму (Km + S) и её можно считать равной концентрации субстрата. Следовательно, скорость реакции становится равной максимальной скорости: V = Vmax. В этих условиях реакция имеет нулевой порядок, т.е. не зависит от концентрации субстрата. Можно сделать вывод, что Vmax - величина постоянная для данной концентрации фермента, не зависящая от концентрации субстрата.

Если концентрация субстрата значительно меньше Km(S << Km), то сумма (Km + S) примерно равна Кm, следовательно, V = Vmax[S]/Km, т.е. в данном случае скорость реакции прямо пропорциональна концентрации субстрата (реакция имеет первый порядок).

40. Строение ферментов. Каталитический, субстратный и аллостерический центры. Мономерная и мультимерная структуры молекул ферментов. Изозимы.

По строению ферменты могут быть однокомпонентными, простыми белками, и двухкомпонентными, сложными белками. Во втором случае в составе фермента обнаруживается добавочная группа небелковой природы.Роль коферментов в двухкомпонентных ферментах играют большинство витаминов (Е, К, Q, В1, В2, В6 В12, С, Н и др.) или соединений, построенных с участием витаминов (коэнзим А, НАД+ и т. п.). Кроме того, функцию коферментов выполняют такие соединения, как НS-глутатион, многочисленная группа нуклеотидов и их производных, фосфорные эфиры некоторых моносахаридов и ряд других веществ. Характерной особенностью двухкомпонентных ферментов является то, что ни белковая часть, ни добавочная группа в отдельности не обладают заметной каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства. При этом белок резко повышает каталитическую активность добавочной группы, присущую ей в свободном состоянии в очень малой степени; добавочная же группа стабилизирует белковую часть и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам.

Иначе обстоит дело у однокомпонентных ферментов, не имеющих добавочной группы, которая могла бы входить в непосредственный контакт с преобразуемым соединением. Эту функцию выполняет часть белковой молекулы, называемая каталитическим центром. Предполагают, что каталитический центр однокомпонентного фермента представляет собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, располагающихся в определенной части белковой молекулы. Чаще всего в каталитических центрах однокомпонентных ферментов встречаются остатки сер, гис, три, арг, цис, асп, глу и тир. Радикалы перечисленных аминокислот выполняют здесь ту же функцию, что и кофермент в составе двухкомпонентного фермента. Аминокислотные остатки, образующие каталитический центр однокомпонентного фермента, расположены в различных точках единой полипептидной цепи. Поэтому каталитический центр возникает в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру. Следовательно, изменение третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации каталитического центра и изменению ферментативной активности.

Кроме каталитического центра, у ферментов различают еще два центра: субстратный и аллостерический. Под субстратным центром понимают участок молекулы фермента, ответственный за присоединение вещества (субстрата), подвергающегося ферментативному превращению. Часто этот участок называют “якорной площадкой” фермента, где, как судно на якорь, становится субстрат. Во многих случаях прикрепление субстрата к ферменту идет за счет взаимодействия с альфа-аминогрулпой радикала лиз, расположенного в субстратном центре. Эту же роль может выполнять СООН-группа глу, а также НS-группа цис. Однако работы последних лет показали, что гораздо большее значение здесь имеют силы гидрофобных взаимодействий и водородные связи, возникающие между радикалами аминокислотных остатков субстратного центра фермента и соответствующими группировками в молекуле субстрата. Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда — и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы. Вследствие этого изменяется конфигурация активного центра, сопровождающаяся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента. Это явление лежит в основе так называемой аллостерической регуляции каталитической активности ферментов.

Способы компоновки протомеров в мультимеры разнообразны. Крайне важно, что достроенный из субъединиц фермент проявляет максимальную каталитическую активность именно в виде мультимера: диссоциация на протомеры резко снижает активность фермента. Не все ферменты-мультимеры построены исключительно из каталитически активных протомеров. Наряду с каталитическими в их составе отмечены регуляторные субъединицы, как, например, у аспартаткарбамилтрансферазы.

Среди ферментов-мультимеров безусловно преобладают димеры и тетрамеры (их несколько сотен), в меньшей мере распространены гексамеры и октамеры (несколько десятков) и необыкновенно редко встречаются тримеры и пентамеры.

Молекулы ферментов-мультимеров в ряде случаев составлены из субъединиц двух типов, обозначаемых условно как субъединицы типа А и В. Они сходны друг с другом, но отличаются по некоторым деталям первичной и третичной структур. В зависимости от соотношения протомеров типа А и В в мультимере последний может существовать в виде нескольких изомеров, которые называют изозимами.

Изозимами называются представители одного и того же класса ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию, имеющие один и тот же активный центр, но отличающиеся по поведению белковых молекул в электрическом поле, а также по отношению к ионообменникам и неодинаковой чувствительностью к нагреванию, к ингибиторам и особенностям кинетики. Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) была первым ферментом, у которого были обнаружены множественные изозимные формы.

41. Трансферазы.

Трансферазы - ферменты, которые ускоряют перенос (транспорт) атомов или групп атомов с одного вещества на другое. По химической природе почти все трансферазы двухкомпонентны, т.е. состоят из апофермента и кофермента. Различают трансферазы, которые участвуют в переносе одноуглеродных остатков (метилтрансферазы), альдегидной или кетонной группы, ацила, гликозила, алкильной или арильной группы, азотсодержащей группы, фосфорсодержащей группы, серосодержащей группы. Трансферазы различных подклассов имеют различные коферменты. Механизм каталитического действия исследованных трансфераз включает образование промежуточного продукта фермента с транспортируемой группой: например, при переносе ацетильного радикала (CH3CO—) на первой стадии реакции образуется ацетилированный фермент, а затем происходит перенос группы на акцептор и освобождение фермента. При помощи трансфераз в клетках происходят процессы алкилирования, фосфорилирования, биосинтеза белков, нуклеиновых кислот и т.д.

42. Ферменты лиазы, изомеразы, лигазы.

Лиазы - класс ферментов, катализирующих реакции, в результате которых происходит разрыв связи С—С, С—О, С—N или др., сопровождающийся образованием двойных связей, а также обратные реакции - присоединения по двойным связям. К лиазам принадлежат декарбоксилазы, отщепляющие карбоксильную группу от органических кислот, например уже упоминавшаяся гистидиндекарбоксилаза; альдолазы, расщепляющие углерод-углеродную связь с образованием альдегида; гидратазы, присоединяющие воду по двойной связи (например, фумараза); дегидратазы, отщепляющие от соединений молекулу воды с образованием двойной связи.

Изомеразы - класс ферментов, катализирующих внутримолекулярные перемещения различных групп, в том числе и реакции взаимного превращения различных изомеров. Изомеразы, катализирующие взаимопревращения стереоизомеров, называются рацемазами или эпимеразами в зависимости от числа центров асимметрии в молекуле субстрата. К изомеразам относятся также цис-транс-изомеразы, внутримолекулярные оксидоредуктазы, внутримолекулярные трансферазы, внутримолекулярные лиазы. Иногда ферменты, катализирующие перенос каких-либо групп от одного участка молекулы к другому, называются мутазами.

Лигазы (синтетазы) – ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей. Главная особенность лигаз – сопряженность синтеза с распадом веществ, которые способны поставлять энергию для осуществления биосинтетического процесса. Одним из таких природных соединений является АТФ. Лигазы каталитически ускоряют синтез органических соединений из активированных за счет распада АТФ исходных продуктов. Таким образом, к лигазам относятся ферменты, катализирующие соединение друг с другом двух молекул, сопряженное с гидролизом пирофосфатной связи в молекуле АТФ или иного нуклеозидтрифосфата.

45. Гликогенные аминокислоты

Гликогенные аминокислоты – это аминокислоты, которые могут быть субстратами для синтеза глюкозы, т.к. могут превращаться в пируват, оксалоацетат, фосфоенол–пируват - это соединения–предшественники глюкозы при глюконеогенезе. К таким аминокислотам относятся все протеиногенные аминокислоты (аланин, аргинин, аспарагин, сирин и др.) за исключением Лей, Лиз.

51. Функции белков в организме. Классификация белков по химическому строению, форме молекулы, функциональным признакам

Белки - незаменимый строительный материал. Одной из важнейших функций белковых молекул является пластическая. Все клеточные мембраны содержат белок, роль которого здесь разнообразна. Количество белка в мембранах составляет более половины массы.

Многие белки обладают сократительной функцией. Это прежде всего белки актин и миозин, входящие в мышечные волокна высших организмов.

Велика роль белков в транспорте веществ в организме. Имея функциональные различные группы и сложное строение макромолекулы, белки связывают и переносят с током крови многие соединения. Это прежде всего гемоглобин, переносящий кислород из легких к клеткам. В мышцах эту функцию берет на себя еще один транспортный белок - миоглобин.

Еще одна функция белка - запасная. К запасным белкам относят ферритин - железо, овальбумин - белок яйца, казеин - белок молока, зеин - белок семян кукурузы.

Регуляторную функцию выполняют белки-гормоны. Гормоны - биологически активные вещества, которые оказывают влияние на обмен веществ. Многие гормоны являются белками, полипептидами или отдельными аминокислотами.

Другая функция белков - защитная. На ее основе создана отрасль науки, названная иммунологией.

В последнее время в отдельную группу выделены белки с рецепторной функцией. Есть рецепторы звуковые, вкусовые, световые и др. рецепторы.

Следует упомянуть и о существовании белковых веществ, тормозящих действие ферментов. Такие белки обладают ингибиторными функциями. При взаимодействии с этими белками фермент образует комплекс и теряет свою активность полностью или частично.

По форме молекулы белки можно разбить на три группы:

1. 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. Для этих белков наиболее характерной является вторичная структура; третичная почти или полностью не выражена.

2. Глобулярные белки — водорастворимы, общая форма молекулы более или менее сферическая. Для глобулярных белков наиболее типична третичная структура, они растворимы в воде и разбавленных растворах нейтральных солей. К этой группе белков относятся все ферменты и, за исключением структурных, большинство других белков животных и растительных организмов.

В соответствии с биологическими функциями можно выделить следующие группы белков: ферменты, транспортные белки, пищевые и запасные белки, сократительные и двигательные белки, структурные белки, защитные белки, регуляторные белки.

В зависимости от химического состава все белковые вещества разделили на две группы: п р о с т ы е белки (протеины) и с л о ж н ы е (протеиды) белки. Простые белки построены из аминокислот. Сложные белки состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. Каждая из этих групп белков подразделяется на ряд подгрупп.

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.

52. Регуляторные белки. Пептидные и прочие гормоны

К регуляторным белкам относят большую группу белковых гормонов, участвующих в поддержании постоянства внутренней среды организма, которые воздействуют на специфические клетки-мишени. Существует несколько разновидностей белков, выполняющих регуляторную функцию:

• белки — рецепторы, воспринимающие сигнал

• сигнальные белки — гормоны и другие вещества, осуществляющие межклеточную сигнализацию

• регуляторные белки, которые регулируют многие процессы внутри клеток

Белки-гормоны (и другие белки, участвующие в межклеточной сигнализации) оказывают влияние на обмен веществ и другие физиологические процессы. Гормоны — вещества, которые образуются в железах внутренней секреции, переносятся кровью и несут информационный сигнал. Гормоны распространяются безадресно и действуют только на те клетки, которые имеют подходящие белки-рецепторы. Гормоны связываются со специфическими рецепторами.

К белкам с регуляторной функцией можно отнести также белки-рецепторы. Мембранные белки — рецепторы передают сигнал с поверхности клетки внутрь, преобразовывая его. Они регулируют функции клеток за счет связывания с лигандом, который «сел» на этот рецептор снаружи клетки; в результате активируется другой белок внутри клетки. Большинство гормонов действуют на клетку, только если на ее мембране есть определенный рецептор — другой белок или гликопротеид. Например, бетта2- адренорецептор находится на мембране клеток печени. При стрессе молекула адреналина связывается с бетта2- адренорецептором и активирует его. Далее активированный рецептор активирует G-белок, который присоединяет ГТФ. После многих промежуточных этапов передачи сигнала происходит фосфоролиз гликогена. Рецептор осуществил самую первую операцию по передаче сигнала, ведущего к расщеплению гликогена. Без него не было бы последующих реакций внутри клетки.

Белки регулируют процессы, происходящие внутри клеток, при помощи нескольких механизмов:

• взаимодействия с молекулами ДНК (транскрипционные факторы)

• при помощи фосфорилирования (протеинкиназы) или дефосфорилирования (протеинфосфатазы) других белков

• при помощи взаимодействия с рибосомой или молекулами РНК (факторы регуляции трансляции)

• воздействия на процесс удаления интронов (факторы регуляции сплайсинга)

• влияния на скорость распада других белков (убиквитины и др.)

Транскрипционный фактор — это белок, который, попадая в ядро, регулирует транскрипцию ДНК, то есть считывание информации с ДНК на мРНК (синтез мРНК по матрице ДНК). Некоторые транскрипционные факторы изменяют структуру хроматина, делая его более доступным для РНК-полимераз. Существуют различные вспомогательные транскрипционные факторы, которые создают нужную конформацию ДНК для последующего действия других транскрипционных факторов. Еще одна группа транскрипционных факторов — это те факторы, которые не связываются непосредственно с молекулами ДНК, а объединяются в более сложные комплексы с помощью белок-белковых взаимодействий.

Пептидные гормоны (инсулин, пролактии, гормон роста, паратиреоидный гормон, гонадотропин, гормоноподобные факторы роста и др.) — это многочисленный и наиболее разнообразный по составу класс гормональных соединений, представляющий собой биологически активные вещества. Их образование происходит в специализированных клетках железистых органов, после чего активные соединения поступают в кровеносную систему для транспортировки к органам-мишеням. По достижении цели гормоны специфически воздействуют на определённые клетки, взаимодействуя с соответствующим рецептором.

59. Цветные реакции на аминокислоты и белки. Практическое значение.

Цветные реакции применяются для установления белковой природы веществ, идентификации белков и определение их аминокислотного состава в различных биологических жидкостях. В клинической лабораторной практике эти методы используются для определения количества белка в плазме крови, аминокислот в моче и крови, для выявления наследственных и приобретенных патологий обмена у новорожденных.

1. Биуретовая реакция на пептидную связь.

В основе ее лежит способность пептидных связей (-CO-NH-) образовывать с сульфатом меди в щелочной среде окрашенные комплексные соединения, интенсивность окраски которых зависит от длины полипептидной цепи. Раствор белка дает сине-фиолетовое окрашивание.

2. Нингидриновая реакция.

Сущность реакции состоит в образовании соединения, окрашенного в сине-фиолетовый цвет, состоящего из нингидрина и продуктов гидролиза аминокислот. Эта реакция характерна для аминогрупп в альфа-положении, присутствующих в природных аминокислотах и белках.

3. Ксантопротеиновая реакция.

При добавлении к раствору белка концентрированной азотной кислоты и нагревании появляется желтое окрашивание, переходящее в присутствии щелочи в оранжевое. Сущность реакции состоит в нитровании бензольного кольца циклических аминокислот азотной кислотой с образованием нитросоединений, выпадающих в осадок. Реакция выявляет наличие в белке циклических аминокислот.

4. Реакция Адамкевича.

Аминокислота триптофан в кислой среде, взаимодействуя с альдегидами кислот, образует продукты конденсации красно-фиолетового цвета.

5. Реакция Фоля.

Аминокислоты, содержащие сульфгидрильные группы - SH, подвергаются щелочному гидролизу с образованием сульфида натрия Na2S. Последний, взаимодействуя с плюмбитом натрия (образуется в ходе реакции между ацетатом свинца и NaOH), образует осадок сульфида свинца PbS черного или бурого цвета.

47. Образование аммиака в организме. Механизма токсичности.

Источником образования аммиака в организме, главным образом, служит азот пищевого белка. Наибольшее число аммиака образуется в печени в ходе реакций дезаминирования аминокислот. Дополнительными источниками его образования служат уреаза – положительная микрофлора желудочно–кишечного тракта (разлагающая мочевину, а также белок), мышечная ткань (продукция аммиака возрастает при физической нагрузке), тонкая кишка (в результате распада глутамина), почки (реабсорбция аммиака возрастает при гипокалиемии, алкалозе).

Механизм токсического действия аммиака:

1. Аммиак легко проникает через мембраны в клетки и в митохондриях сдвигает реакцию, катализируемую глу-ДГ, в сторону образования глу:

альфа-Кетоглутарат + НАДH2 + NH3 → глу + НАД+.

Уменьшение концентрации альфа-кетоглутарата вызывает:

o угнетение реакции трансаминирования АК и снижение синтеза из них нейромедиаторов (ацетилхолина, дофамина и др.);

o снижения скорости ЦТК и развитие энергодефицита.

Недостаточность альфа-кетоглутарата ускоряет реакции синтеза ЩУК из ПВК, сопровождающейся интенсивным потреблением СО2 (особенно характерны для клеток головного мозга).

1. Повышение концентрации аммиака в крови сдвигает рН в щелочную сторону, вызывает алкалоз. Алкалоз увеличивает сродство гемоглобина к кислороду, что препятствует отдачи им кислорода. В результате развивается гипоксия тканей, энергодефицит, от которого главным образом страдает головной мозг.

2. Высокие концентрации аммиака, при участии глутаминсинтетазы, стимулируют синтез глутамина из глутамата в нервной ткани:

3. Глу + NH3 + АТФ → Глутамин + АДФ + Н3РО4. Накопление глутамин в клетках нейроглии приводит к повышению в них осмотического давления, набуханию астроцитов и в больших концентрациях вызывает отёк мозга. Снижение концентрации глу нарушает обмен АК и нейромедиаторов, в частности синтез гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), основного тормозного медиатора. При недостатке ГАМК и других медиаторов нарушается проведение нервного импульса, возникают судороги.

4. Ион NH4+ практически не проникает через цитоплазматические и митохондриальные мембраны. Избыток NH4+ в крови нарушает трансмембранный перенос одновалентных катионов Na+ и К+, конкурируя с ними за ионные каналы, что также влияет на проведение нервных импульсов.

5. Низкие концентрации аммиака стимулируют дыхательный центр, а высокие – угнетают.

80. Глюконеогенез

Глюконеогенез - синтез глюкозы из неуглеводных предшественников. Глюконеогенез необходим в мозге, яичках, эритроцитах и мозговом веществе почек, где глюкоза является единственным источником энергии. Однако, во время голодания мозг может получать энергию из кетоновых тел, которые превращаются в ацетилКоА.

Первоначально пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата (ЩУК).

Пируваткарбоксилаза находится в митохондриях. Мембрана митохондрий непроницаема для образовавшегося ЩУКа. Последний здесь же в митохондриях восстанавливается в малат.

Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы. В митохондриях отношение НАДН2/НАД+ относительно высоко, и поэтому внутримитохондриальный ЩУК легко восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрии, проходя мембрану митохондрий. В цитоплазме же отношение НАДН2/НАД+ очень мало, и малат вновь окисляется в ЩУК при участии НАД-зависимой цитоплазматической малатдегидрогеназы.

Первичные субстраты глюконеогенеза - лактат, аминокислоты и глицерол. Включение этих субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма.

Лактат - продукт анаэробного гликолиза. Он образуется при любых состояниях организма в эритроцитах и работающих мышцах. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно.

Глицерол высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке.

Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков и включаются в глюконеогенез при длительном голодании или продолжительной мышечной работе.

81. Синтез и мобилизация гликогена. Гормональная регуляция.

Метаболизм гликогена

Глюкоза может депонироваться в виде гликогена в двух основных источниках: печени и скелетных мышцах. Однако, гликоген, который находится в мышцах, не может обратно превратиться в глюкозу, т.к. в мышцах нет фермента глюкозо-6-фосфатазы.

Главное потребление глюкозы (75%) происходит в мозге через аэробный путь. Оставшуюся часть в основном используется эритроцитами, сердечной и скелетными мышцами. Глюкоза в организме берётся либо из потребляемой человеком пищи, либо из лактата и аминокислот посредством глюконеогенеза. Глюкоза в организме находится главным образом в виде двух форм: растворённой и в полимерной форме - гликогена. Считается, что гликоген - главная форма хранения глюкозы, и он обнаружен в двух основных местах - печени и мышцах. Расщепление гликогена известно как гликогенолиз и осуществляется с помощью фермента гликогенфосфорилазы. Этот фермент отщепляет один остаток глюкозы от всей молекулы гликогена. В результате этой реакции образуется глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат потом под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат.

В мышцах глюкозо-6-фосфат идёт на гликолиз. В печени, почках и кишечнике есть фермент глюкозо-6-фосфатаза, которая превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозу. Это позволяет поддерживать уровень глюкозы крови.

Синтез гликогена из глюкозы осуществляется благодаря ферменту гликогенсинтазы. Этот фермент использует УДФ-глюкозу как один субстрат, а другим субстратом является сам гликоген. Активация глюкозы происходит с помощью фермента УДФ-глюкозопирофосфорилазы. При синтезе гликогена используется сам гликоген (уже к нему добавляется остатки глюкозы), поэтомк возникает вопрос, а откуда первичный гликоген. Совсем недавно был открыт белок гликогенин, который находится в ядре молекулы гликогена. К этому белку к остатку тирозина и прикрепляется первая молекула глюкозы.

Ключевым ферментом является гликогенсинтаза. Она существует в двух формах - активной и неактивной (фосфорилированной). Активация происходит в высоких концентрациях глюкозо-6-фосфата. Инсулин активирует гликогенсинтазу, а глюкагон и адреналин - инактивируют.

83. Механизмы окислительного декарбоксилирования пирувата. Метаболические превращения ацетил-КоА.

Основная масса АТФ получается путём окисления пирувата в цикле Кребса. Во время этого процесса образуется НАДН и ФАД*Н2, которые используются в процессе окислительного фосфорилирования.

Судьба пирувата зависит от энергетического состояния клетки. В клетках с высоким энергетическим состоянием пируват идёт на глюконеогенез. Если в клетке энергетическое состояние низкое, то пируват окисляется до Н2О и СО2 в цикле Кребса с образованием 15 моль АТФ.

Ферменты цикла Кребса, как и ферменты окислительного фосфорилирования, локализованы в митохондрии. Когда пируват попал в митохондрию, то на него действует либо фермент глюконеогенеза пируваткарбоксилаза либо первый фермент пируватдегидрогеназного комплекса пируват дегидрогеназа. В клетке с высоким энергетическим состоянием (где много КоА ацилировано до ацетил-КоА), аллостерически активируется (активатором является сам ацетил-КоА) пируват карбоксилаза, направляя пируват на глюконеогенез. В клетке с низким энергитическим состоянием, где КоА ацилировано мало, пируват карбоксилаза не активна и пируват идёт через пируватдегидрогеназный комплекс.

Пируватдегидрогеназный комплекс включает в себя три фермента:

-пируватдегидрогеназа

-дигидролипоил трансацетилаза

-дигидролипоил дегидрогеназа.

Пируватдегидрогеназный комплекс использует также 5 коферментов: КоА, НАД+, ФАД+,липоевая кислота и ТПФ. декарбоксилировании, связывается с ТПФ. Следующая реакция - перено ацетильной грууппы с ацетил-ТПФ (оксиэтил-ТПФ) на липоевую кислоту, которая ковалентно связана с ферментом дигидролипоил трансацетилазой. Затем ацетильная группа переносится на КоА-SH. При этом образуется дигидролипоамид с двумя SH-группами. Вместе с превращением ЛК-(SH)2 в ЛК-SS ФАД превращается в ФАД*Н2, который связан с дигидролипоилДГ.

Реакции пируватдегидрогеназного комплекса служат для взаимосвязи гликолиза, глюконеогенеза и синтеза ЖК с циклом Кребса.

1).Ингибирование конечными продуктами - ацетилКоА и НАДН.

2).Ковалентная модификация фосфорилирование/дефосфорилирование.

Киназа - активируется при увеличенииНАДН/НАД+,

- ингибируется соотношением АДФ/АТФ.

Фосфатаза -активируется инсулином (в клетках жировой ткани).

87. Функции углеводов в организме. Важнейшие представители гомо- и гетерополисахаридов (крахмал, гликоген, гиалуроновая кислота, гепарин)

В живых организмах углеводы выполняют следующие функции:

Структурная и опорная функции. Углеводы участвуют в построении различных опорных структур. Так целлюлоза является основным структурным компонентом клеточных стенок растений, хитин выполняет аналогичную функцию у грибов, а также обеспечивает жёсткость экзоскелета членистоногих.

Защитная роль у растений. У некоторых растений есть защитные образования (шипы, колючки и др.), состоящие из клеточных стенок мёртвых клеток.

Пластическая функция. Углеводы входят в состав сложных молекул (например, пентозы (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК)[6].

Энергетическая функция. Углеводы служат источником энергии: при окислении 1 грамма углеводов выделяются 4,1 ккал энергии и 0,4 г воды.

Запасающая функция. Углеводы выступают в качестве запасных питательных веществ: гликоген у животных, крахмал и инулин — у растений.

Осмотическая функция. Углеводы участвуют в регуляции осмотического давления в организме. Так, в крови содержится 100—110 мг/% глюкозы, от концентрации глюкозы зависит осмотическое давление крови.

Рецепторная функция. Олигосахариды входят в состав воспринимающей части многих клеточных рецепторов или молекул-лигандов.

Крахмал (C6H10O5)n — смесь двух гомополисахаридов: линейного — амилозы и разветвлённого — амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза. Белое аморфное вещество, не растворимое в холодной воде, способное к набуханию и частично растворимое в горячей воде. Крахмал, синтезируемый разными растениями в хлоропластах, под действием света при фотосинтезе, несколько различается по структуре зёрен, степени полимеризации молекул, строению полимерных цепей и физико-химическим свойствам. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10—30 %, амилопектина — 70—90 %. Молекула амилозы содержит в среднем около 1 000 остатков глюкозы, связанных между собой альфа-1,4-связями. Отдельные линейные участки молекулы амилопектина состоят из 20—30 таких единиц, а в точках ветвления амилопектина остатки глюкозы связаны межцепочечными альфа-1,6-связями. При частичном кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации — декстрины (C6H10O5)p, а при полном гидролизе — глюкоза[4].

Гликоген (C6H10O5)n — полисахарид, построенный из остатков альфа-D-глюкозы — главный резервный полисахарид высших животных и человека, содержится в виде гранул в цитоплазме клеток практически во всех органах и тканях, однако, наибольшее его количество накапливается в мышцах и печени. Молекула гликогена построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в линейной последовательности которых, остатки глюкозы соединены посредством альфа-1,4-связями, а в точках ветвления межцепочечными альфа-1,6-связями. Эмпирическая формула гликогена идентична формуле крахмала. По химическому строению гликоген близок к амилопектину с более выраженной разветвлённостью цепей, поэтому иногда называется неточным термином «животный крахмал». Молекулярная масса 105—108 Дальтон и выше[4]. В организмах животных является структурным и функциональным аналогом полисахарида растений — крахмала. Гликоген образует энергетический резерв, который при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы может быть быстро мобилизован — сильное разветвление его молекулы ведёт к наличию большого числа концевых остатков, обеспечивающих возможность быстрого отщепления нужного количества молекул глюкозы. В отличие от запаса триглицеридов (жиров) запас гликогена не настолько ёмок (в калориях на грамм). Только гликоген, запасённый в клетках печени (гепатоцитах) может быть переработан в глюкозу для питания всего организма, при этом гепатоциты способны накапливать до 8 процентов своего веса в виде гликогена, что является максимальной концентрацией среди всех видов клеток. Общая масса гликогена в печени взрослых может достигать 100—120 граммов. В мышцах гликоген расщепляется на глюкозу исключительно для локального потребления и накапливается в гораздо меньших концентрациях (не более 1 % от общей массы мышц), тем не менее общий запас в мышцах может превышать запас, накопленный в гепатоцитах.

Гиалуроновая кислота (гиалуронат, гиалуронан) — несульфированный гликозаминогликан, входящий в состав соединительной, эпителиальной и нервной тканей. Является одним из основных компонентов внеклеточного матрикса, содержится во многих биологических жидкостях (слюне, синовиальной жидкости и др.). Принимает значительное участие в пролиферации и миграции клеток, может быть вовлечена в процесс развития злокачественных опухолей. Продуцируется некоторыми бактериями.

Также, гиалуроновая кислота входит в состав кожи, где участвует в регенерации ткани. При чрезмерном воздействии на кожу ультрафиолета, происходит её воспаление («солнечный ожог»), при этом в клетках дермы прекращается синтез гиалуроновой кислоты и увеличивается скорость её распада.

Гепарин— кислый серосодержащий гликозаминогликан; впервые выделен из печени. В клинической практике известен, как прямой антикоагулянт, то есть, как вещество, препятствующее свёртыванию крови. Применяется для профилактики и терапии тромбоэмболических заболеваний, при операциях на сердце и кровеносных сосудах, для поддержания жидкого состояния крови в аппаратах искусственного кровообращения и гемодиализа, а также для предотвращения свертывания крови при лабораторных исследованиях. Синтезируется в тучных клетках, скопления которых находятся в органах животных, особенно в печени, лёгких, стенках сосудов.

91. Метаболизм кетоновых тел

Кетоновые тела (синоним: ацетоновые тела, ацетон) — группа продуктов обмена веществ, которые образуются в печени из ацетил-КоА: ацетон (пропанон) [H3C—CO—CH3] ацетоуксусная кислота (ацетоацетат) [H3C—CO—CH2—COOH] бета-гидроксимасляная кислота (бета-гидроксибутират) [H3C—CHOH—CH2—COOH].

Ацетон в плазме крови в норме присутствует в крайне низких концентрациях, образуется в результате спонтанного декарбоксилирования ацетоуксусной кислоты и не имеет определённого физиологического значения.

Кетоновые тела синтезируются в печени из ацетил-КоА:

На первом этапе из двух молекул ацетил-КоА синтезируется ацетоацетил-КоА. Данная реакция катализируется ферментом ацетоацетил-КоА-тиолазой. Затем под влиянием фермента гидроксиметилглутарил-КоА-синтазы присоединяется ещё одна молекула ацетил-КоА. Образовавшийся бета-гидрокси-бета-метилглутарил-КоА (OMG-KoA) способен под действием фермента гидроксиметилглутарил-КоА-лиазы расщепляться на ацетоуксусную кислоту (ацетоацетат) и ацетил-КоА.

Ацетоуксусная кислота способна восстанавливаться при участии НАД-зависимой D-бета-оксибутиратдегидрогеназы; при этом образуется D-бета-оксимасляная кислота (D-бета-оксибутират). Фермент специфичен по отношению к D-стереоизомеру и не действует на КоА-эфиры.

Ацетоуксусная кислота в процессе метаболизма способна окисляться до ацетона с выделением молекулы углекислого газа.

94. Биосинтез холестерина. Роль в организме

Холестерин — органическое соединение, природный жирный (липофильный) спирт, содержащийся в клеточных мембранах всех живых организмов за исключением безъядерных (прокариоты). Нерастворим в воде, растворим в жирах и органических растворителях. Около 80 % холестерина вырабатывается самим организмом (печенью, кишечником, почками, надпочечниками, половыми железами), остальные 20 % поступают с пищей. В организме находится 80 % свободного и 20 % связанного холестерина. Холестерин обеспечивает стабильность клеточных мембран в широком интервале температур. Он необходим для выработки витамина D, выработки надпочечниками различных стероидных гормонов, включая кортизол, альдостерон, женских половых гормонов эстрогенов и прогестерона, мужского полового гормона тестостерона.

Холестерин может образовываться в животном организме и поступать в него с пищей.

В настоящее время установлена следующая цепь биосинтеза холестерина (основа биосинтеза и других стероидов), включающая в себя несколько ступеней.

Превращение трёх молекул активного ацетата в пятиуглеродный мевалонат. Происходит в ГЭПР.

Превращение мевалоната в активный изопреноид — изопентенилпирофосфат.

Образование тридцатиуглеродного изопреноида сквалена из шести молекул изопентенилдифосфата.

Циклизация сквалена в ланостерин.

Последующее превращение ланостерина в холестерин.

У некоторых организмов при синтезе стероидов могут встречаться другие варианты реакций (например, немевалонатный путь образования пятиуглеродных молекул).

95. Метаболическая судьба глицерина

Тканевые липазы гидролизуют тканевые жиры на глицерин и жирные кислоты. Глицерин независимо от того, поступил ли он на синтез жиров или будет претерпевать дальнейший распад, прежде всего фосфорилируется. Донором остатка фосфорной кислоты в этой реакции служит АТФ.

Глицерин с участием фермента глицеролкиназы превращается в активную форму – глицеролфосфат.

Глицерофосфат включается в синтез ТАГ или превращается в 3- диоксиацетонфосфат – промежуточный продукт углеводного метаболизма (взаимосвязь обмена углеводов и обмена липидов).

Образовавшийся диоксиацетонфосфат изомеризуется в 3-фосфоглицериновый альдегид, который превращается в ацетил – КоА по пути гликолиза.

108. Рибозимы. Концепция РНК мира.

Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Оргелом и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году. В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи.

В начале 1980-х годов в лаборатории Т. Чека и С. Олтмана в США была открыта каталитическая способность РНК. По аналогии с ферментами РНК-катализаторы были названы рибозимами, за их открытие Томасу Чеку в 1989 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Более того, оказалось, что активный центр рибосом содержит большое количество рРНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироватьс.

Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации — ДНК. РНК сохранилась между ними как посредник.

Рибозим (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим»), также называемая ферментативной РНК или каталитической РНК — это молекула РНК, обладающая каталитическим действием. Многие рибозимы естественного происхождения катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК, кроме того образование пептидной связи в белках происходит при помощи рРНК рибосомы. В рамках исследований, посвященных происхождению жизни, удалось создать искусственные рибозимы типа РНК-полимеразы, способные при определенных условиях катализировать свою собственную сборку. Несмотря на то, что большинство рибозимов достаточно редко встречаются в клетках, иногда они очень важны для их существования. Например, активная часть рибосомы — молекулярной машины, осуществляющей трансляцию белков из РНК — является рибозимом.

В качестве кофакторов некоторые рибозимы часто содержат двухвалентные ионы металлов, например, Mg2+.

То обстоятельство, что РНК может содержать наследственную информацию, позволило Уолтеру Гилберту выдвинуть предположение, что в древности РНК использовалась как в качестве генетического материала, так и в качестве катализаторов и структурных компонентов клетки, а впоследствии эти роли были перераспределены между ДНК и белками. Эта гипотеза сейчас известна как Гипотеза мира РНК.

Если РНК были первыми молекулярными машинами, использовавшимися в ранних живых клетках, то рибозимы, существующие сегодня (например, аппарат рибосомы), могут считаться живыми ископаемыми — образцами живых существ, состоящих из нуклеиновых кислот.

Недавние исследования свертывания прионов показывают, что РНК может катализировать свёртывание белка в патологические конфигурации подобно ферментам-шаперонам.

114. Хемиосмотическая теория Митчелла. Электрохимический протонный градиент. Процессы, на которые расходуется энергия протонного градиента. Разобщение окисления и фосфорилирования.

В настоящее время наибольшим признанием пользуется хемиосмотическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961). Он высказал предположение, что поток электронов через систему молекул-переносчиков сопровождается транспортом ионов Н+ через внутреннюю мембрану митохондрий. В результате на мембране создается электрохимический потенциал ионов Н + , включающий химический, или осмотический, градиент и электрический градиент (мембранный потенциал). Согласно хемиосмотической теории электрохимический трансмембранный потенциал ионов Н+ и является источником энергии для синтеза АТФ за счет обращения транспорта ионов Н+ через протонный канал мембранной Н + -АТФазы.

Теория Митчелла исходит из того, что переносчики перешнуровывают мембрану, чередуясь таким образом, что в одну сторону возможен перенос и электронов, и протонов, а в об ратную -- только электронов. В результате ионы Н+ накапливаются на одной стороне мембраны.

Между двумя сторонами внутренней митохондриальной мембраны в результате направленного движения протонов против концентрационного градиента возникает электрохимический потенциала. Энергия, запасенная таким образом, используется для синтеза АТФ как результат разрядки мембраны при обратном (по концентрационному градиенту) транспорте протонов через АТФазу, которая работает в этом случае как АТФ-синтетаза.

Одним из доказательств роли протонного градиента в образовании АТФ при окислительном фосфорилировании может служить разобщающее действие на этот процесс некоторых веществ. Известно, что 2,4-динитрофенол (2,4-ДНФ) подавляет синтез АТФ, но стимулирует транспорт электронов (поглощение 02), т. е. разобщает дыхание (окисление) и фосфорилирование. Митчелл предположил, что такое действие 2,4-ДНФ связано с тем, что он переносит протоны через мембрану (т. е. является протонофором) и поэтому разряжает ее. Это предположение полностью подтвердилось. Оказалось, что разные по своей химической природе вещества, разобщающие окисление и фосфорилирование, сходны в том, что, во-первых, они растворимы в липидной фазе мембраны, а, во-вторых, это слабые кислоты, т. е. легко приобретают и теряют протон в зависимости от рН среды.

116. АТФ-синтетаза, характеристика ферментного комплекса, факторы сопряжения, локализация. Адениннуклеотидтранслоказа, фосфаттранслоказа.

АТФ-синтазный комплекс FOF1 по форме напоминает плодовое тело гриба, у которого компонент F1 — это шляпка, ножка — это гамма-субъединица компонента F1, а «корни» гриба — компонент FO, заякоренный в мембране.

В структурно-функциональном плане АТФ-синтетаза состоит из двух крупных фрагментов, обозначаемых символами F1 и F0. Первый из них (фактор сопряжения F1) обращён в сторону матрикса митохондрии и заметно выступает из мембраны в виде сферического образования высотой 8 нм и шириной 10 нм. Он состоит из девяти субъединиц, представленных пятью типами белков. Полипептидные цепи трёх субъединиц альфа и стольких же субъединиц бета уложены в похожие по строению белковые глобулы, которые вместе образуют гексамер (альфа бета)3, имеющий вид слегка приплюснутого шара. Подобно плотно уложенным долькам апельсина, последовательно расположенные субъединицы альфа и бета образуют структуру, характеризующуюся осью симметрии третьего порядка с углом поворота 120°. В центре этого гексамера находится субъединица гамма, которая образована двумя протяжёнными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. При этом нижняя часть субъединицы гамма выступает из шара на 3 нм в сторону мембранного комплекса F0. Также внутри гексамера находится минорная субъединица сигма, связанная с гамма. Последняя (девятая) субъединица обозначается символом сигма и расположена на внешней стороне F1.

Мембранная часть АТФ-синтетазы, называемая фактором сопряжения F0, представляет собой гидрофобный белковый комплекс, пронизывающий мембрану насквозь и имеющий внутри себя два полуканала для прохождения протонов водорода. Всего в состав комплекса F0 входит одна белковая субъединица типа а, две копии субъединицы b, а также от 9 до 12 копий мелкой субъединицы c. Субъединица а (молекулярная масса 20 кДа) полностью погружена в мембрану, где образует шесть пересекающих её альфа-спиральных участков. Субъединица b (молекулярная масса 30 кДа) содержит лишь один сравнительно короткий погружённый в мембрану альфа-спиральный участок, а остальная её часть заметно выступает из мембраны в сторону F1 и закрепляется за расположенную на её поверхности субъединицу сигма. Каждая из 9-12 копий субъединицы c (молекулярная масса 6-11 кДа) представляет собой сравнительно небольшой белок из двух гидрофобных альфа-спиралей, соединённых друг с другом короткой гидрофильной петлёй, ориентированной в сторону F1, а все вместе образуют единый ансамбль, имеющий форму погружённого в мембрану цилиндра. Выступающая из комплекса F1 в сторону F0 субъединица гамма как раз и погружена внутрь этого цилиндра и достаточно прочно зацеплена за него.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема не только для ионов но и для многих других ионизованных растворенных веществ. Во внутренней митохондриальной мембране есть две специфические транспортные системы, которые делают это возможным. Первая из них, адениннуклеотид-транслоказа, переносит из цитозоля в митохондрии, причем внутрь поступает по одному - в обмен на каждый выходящий наружу. Аденинпу клеотид-транслоказа - это специфический белок, пронизывающий всю толщу внутренней митохондриальной мембраны и связывающий - в строго определенном участке наружной поверхности этой мембраны. Перенос - внутрь митохондрии в обмен на выходящий наружу - совершается благодаря конформационному изменению молекулы адениннуклеотид-транслоказы. Вторая транспортная система мембран, участвующая в окислительном фосфорилировании, переносит из цитозоля внутрь митохондрий ион которому сопутствует ион. Эта ферментная система, названная фосфат-транслоказой, специфична в отношении фосфата; она также ингибируется некоторыми химическими агентами.

117. Гипотезы сопряжения окисления и фосфорилирования (химического сопряжения, конформационная гипотеза)

Химическая и механохимическая гипотезы сопряжения. Согласно химической гипотезе в митохондриях имеются интермедиаторы белковой природы (X, Y, Z), образующие комплексы с соответствующими восстановленными переносчиками. В результате окисления переносчика в комплексе возникает высокоэнергетическая связь. При распаде комплекса к интермедиатору с высокоэнергетической связью присоединяется неорганический фосфат, который затем передается на АДФ:

Однако несмотря на упорные поиски, не удалось выделить или как-то иначе доказать реальное существование постулированных высокоэнергетических интермедиаторов типа X ~ P. Гипотеза химического сопряжения не объясняет, почему окислительное фосфорилирование обнаруживается только в препаратах митохондрий с ненарушенными мембранами. И, наконец, с позиций этой гипотезы не находит объяснения способность митохондрий подкислять внешнюю среду и изменять свой объем в зависимости от степени их энергизации.

Способность митохондриальных мембран к конформационным изменениям и связь этих изменений со степенью энергизации митохондрий послужила основой для создания механохимических гипотез образования АТФ в ходе окислительного фосфорилирования. Согласно этим гипотезам энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов, непосредственно используется для перевода белков внутренней мембраны митохондрий в новое, богатое энергией конформационное состояние, приводящее к образованию АТФ. Одна из гипотез подобного рода, выдвинутая американским биохимиком П. Д. Бойером (1965), может быть представлена в виде следующей схемы:

Автор предположил, что запасание энергии происходит путем конформационных изменений ферментов ЭТЦ аналогично тому, как это наблюдается в белках мышц. Актомиозиновый комплекс сокращается, гидролизуя АТФ. Если сокращение белкового комплекса достигается за счет другой формы энергии (за счет окисления), то расслабление, возможно, будет сопровождаться синтезом АТФ.

Таким образом, согласно механохимическим гипотезам, энергия окисления превращается сначала в механическую энергию, а затем в энергию высокоэнергетической связи АТФ. Однако, подобно химической теории сопряжения, механохимические гипотезы также не могут объяснить подкисление митохондриями окружающей среды.

120. Взаимосвязь белкового и углеводного обмена веществ.

Взаимосвязь обмена белков и липидов выражается в том, чо распад липидов, как и распад углеводов, обеспечивает, с одной стороны, исходные соединения для биосинтеза аминокислот (а из них белков) и, с другой стороны, не менее, а может быть, более, чем углеводы, поддерживает образование белков энергетически.

Одним из основных продуктов распада липидов, в частности высших жирных кислот, возникающих при гидролизе триглицеридов, фосфатидов или стеридов, является ацетил-КоА. Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот, он обеспечивает синтез а-кетоглутаровой кислоты, превращение которой в аминокислоты рассмотрено выше. Поступая в глиоксилевый цикл, ацетил-КоА служит для расширенного воспроизводства в организме щавелево-уксусной кислоты, а из нее—ПВК. Из обеих названных кислот также синтезируются аминокислоты.

Обмен глицерина, высвобождаемого при гидролизе триглицеридов, через углеводы ведет к таким аминокислотам, как гистидин, фенилаланин, тирозин и триптофан. Следовательно, все постоянно встречающиеся в белках аминокислоты могут синтезироваться за счет распадающихся липидов.

В известной мере, возможен синтез липидов за счет распадающихся белков. В предыдущем разделе было показано, что при распаде ряда аминокислот образуется ПВК. При ее окислительном декарбоксилировании возникает ацетил-КоА—исходное соединение для синтеза высших жирных кислот, стеролов и других составных частей липидов. ПВК может также превратиться в фосфоглицерин (путем обращения реакций дихотомического распада углеводов)—другой важный компонент липидов. Однако такого рода переход вряд ли широко осуществляется в нормальных условиях жизнедеятельности.

Энергетическая роль липидов^ особенно триглицеридов, общеизвестна. Потенциальные возможности для синтеза АТФ сопряжено с окислением высших жирных кислот огромны. Известны случаи, когда распад липидов является единственным источником энергии для биосинтеза белка (например, при синтезе фиброина и серицина шелка в шелкоотделительной железе коконо-прядущих насекомых).

Говоря о взаимосвязи обмена белков и липидов, нельзя обойти вопрос о влиянии последних на процесс биосинтеза белков. Твердо установлено, что рибосомальный синтез белка протекает во много раз энергичнее, если рибосомы связаны с липопротеиновыми мембранами.

121. Взаимосвязь липидного и углеводного обмена веществ.

Углеводы и липиды очень легко взаимопревращаются в организме; связующими соединениями при этих переходах служат ПВК в ацетил-КоА.

Пировиноградная кислота—основной продукт дихотомического распада углеводов, при окислительном декарбоксилировании дает ацетил-КоА, который служит для синтеза высших жирных кислот, стеролов, каротиноидов и других полиизопреноидов. Столь же легко осуществляется переход от углеводов к фосфоглицерину, необходимому для синтеза простых и сложных липидов.

Ацетил-КоА и глицерин—главные продукты распада липидов—служат исходными соединениями для синтеза углеводов. Ацетил-КоА при посредстве глиоксилевого цикла переходит в ПВК, а из нее—в углеводы путем обращения реакций дихотомического распада последних.

Превращение глицерина в углеводы идет через 3-фосфоглицериновый альдегид, а затем описанным выше способом.

123. Биохимия крови: химический состав, транспортные системы, буферные свойства крови, ферменты.

Кровь - жидкая внутренняя среда организма. Общий объём крови взрослого человека составляет 5-6 л. Кровь состоит из жидкой части - плазмы, составляющей 55% её общего объёма, и форменных элементов, к которым относят эритроциты, лейкоциты и тромбоциты.

Благодаря работе сердца кровь циркулирует по замкнутой системе кровеносных сосудов и осуществляет транспорт различных химических веществ. Она переносит кислород из лёгких к тканям и углекислый газ из тканей в лёгкие в составе гемоглобина эритроцитов (дыхательная функция); доставляет продукты переваривания пищи из кишечника в ткани (трофическая функция); уносит конечные продукты обмена из тканей в выделительные органы (выделительная функция); перемещает промежуточные продукты обмена веществ, синтез и использование которых происходит в разных органах.

Кровь участвует в регуляции обмена веществ, доставляя сигнальные молекулы от органов внутренней секреции к тканям-мишеням.

Защитная функция крови имеет две стороны. Во-первых, в ней содержатся клеточные (лейкоциты) и гуморальные (антитела) элементы иммунного реагирования, которые защищают организм от любой чужеродной молекулы. Во-вторых, это способность крови свёртываться. При повреждении сосуда прерывается замкнутость циркуляции крови, а уменьшение количества крови может привести к серьёзным нарушениям функций клеток, вплоть до их гибели. Кровь здорового человека образует тромб в месте повреждения, который закупоривает просвет повреждённого сосуда и останавливает кровотечение.

Кровь поддерживает кислотно-щелочной и водный баланс организма. В норме рН крови составляет 7,36-7,4. Сохранение постоянства рН является важнейшей задачей, так как в кровь выделяется большое количество кислых (например, лактат, кетоновые тела, угольная кислота), а также основных (аммиак) продуктов метаболизма. Регуляцию рН осуществляют буферные системы крови.

Выполняя терморегуляторную функцию, кровь поддерживает постоянство температуры тела в разных его частях.

Химический состав растворимых в плазме крови веществ относительно постоянен, так как существуют мощные нервные и гуморальные механизмы, поддерживающие гомеостаз (постоянство внутренней среды). Растворимые вещества плазмы составляют около 10% массы крови, из них на долю белков приходится около 7%, на долю неорганических солей - 0,9%, остальную часть образуют небелковые органические соединения. Диапазон концентраций разных веществ плазмы крови у здорового человека представлен в специальных биохимических справочниках и является важнейшим материалом для медицинской биохимии.

Кровь связана со всеми тканями организма, поэтому возникновение патологического процесса в каком-либо органе приводит к изменению биохимических показателей крови. Эта информация может быть ценной при постановке диагноза и оценке эффективности лечебных мероприятий.

128. Водно-солевой обмен

Водно-солевой обмен, совокупность процессов всасывания, распределения, потребления и выделения воды и солей в организме животных и человека. В.-с. о. обеспечивает постоянство осмотические концентрации, ионного состава и кислотно-щелочного равновесия внутренней среды организма (гомеостаз). Регуляция В.-с. о. происходит нервно-гормональным путём. При изменении осмотической концентрации крови возбуждаются специальные чувствительные образования (осморецепторы), информация от которых передаётся в центр, нервную систему, а от неё к задней доле гипофиза. При повышении осмотической концентрации крови увеличивается выделение антидиуретического гормона, который уменьшает выделение воды с мочой; при избытке воды в организме снижается секреция этого гормона и усиливается её выделение почками. Постоянство объёма жидкостей тела обеспечивается особой системой регуляции, рецепторы которой реагируют на изменение кровенаполнения крупных сосудов, полостей сердца и др.; в результате рефлекторно стимулируется секреция гормонов, под влиянием которых почки изменяют выделение воды и солей натрия из организма. Наиболее важны в регуляции обмена воды гормоны вазопрессин и глюкокортикоиды, натрия — альдостерон и ангиотензин, кальция — паратиреоидный гормон и кальцитонин. Центральная нервная система координирует деятельность различных органов и систем, обеспечивая водно-солевой гомеостаз. В процессе эволюции регуляция ионного и осмотического постоянства внутренней среды организма становится всё более точной.

130. Спиртовое брожение

Спиртовое брожение — это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.

Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и грибы. Сбраживаться могут лишь углеводы, и притом весьма избирательно. Дрожжи сбраживают только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу).

Процесс спиртового брожения — многоступенчатый, состоящий из цепи химических реакций. Превращения глюкозы до образования пировиноградной кислоты. Эти реакции происходят без участия кислорода (анаэробно).

При спиртовом брожении пировиноградная кислота превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Эти реакции протекают в две стадии. Сначала от пирувата отщепляется С02 и образуется уксусный альдегид; затем уксусный альдегид присоединяет водород, восстанавливаясь в этиловый спирт. Все реакции катализируются ферментами. В восстановлении альдегида участвует НАД-H2.

Обычно при спиртовом брожении, кроме главных продуктов, образуются побочные. Они довольно разнообразны, но присутствуют в небольшом количестве: амиловый, бутиловый и другие спирты, смесь которых называется сивушным маслом.

Биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки.

131. Строение биомембран. Функциональная роль фосфолипидов, холестерина, белков, углеводов в построении биомембран.

Состав М.б. зависит от их типа и функций, однако основными составляющими являются Липиды и Белки, а также Углеводы (небольшая, но чрезвычайно важная часть) и вода (более 20% общего веса).

Липиды. В составе М.б. обнаружены липиды трех классов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. В мембранах животных клеток более 50% всех липидов составляют фосфолипиды —Стероиды — в основном холестерином (около 30%). Основную структурную роль в биологических мембранах играют фосфолипиды. Они обладают выраженной способностью формировать двухслойные структуры (бислои) при смешивании с водой, что обусловлено химической структурой фосфолипидов, молекулы которых состоят из гидрофильной части — «головки» и гидрофобной части — «хвоста». В водной среде фосфолипиды бислоя расположены таким образом, что жирно-кислотные остатки обращены внутрь бислоя и, следовательно, изолированы от окружающей среды, а гидрофильные «головки» —наоборот, наружу. Липидный бислои представляет собой динамичную структуру: образующие его липиды могут вращаться, двигаться в латеральном направлении и даже переходить из слоя в слой. Такое строение липидного бислоя определяет некоторые важные свойства М.б., например способность служить барьером и не пропускать молекулы веществ, растворенных в воде. Нарушение структуры бислоя может привести к нарушению барьерной функции мембран.

Холестерин в составе М.б. играет роль модификатора бислоя, придавая ему определенную жесткость за счет увеличения плотности «упаковки» молекул фосфолипидов.

Гликолипиды несут разнообразные функции: отвечают за рецепцию некоторых биологически активных веществ, участвуют в дифференцировке ткани, определяют видовую специфичность.

Белки биологических мембран исключительно разнообразны.

Белки могут взаимодействовать с липидным бислоем за счет электростатических и (или) межмолекулярных сил. Они сравнительно легко могут быть удалены из мембраны. К такому типу белков относят цитохром с (молекулярная масса около 13 000), обнаруживаемый на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий.

Эти белки называются периферическими, или наружными. Для других белков, получивших название интегральных, или внутренних, характерно то, что одна или несколько полипептидных цепей оказываются погруженными в бислои или пересекают его, иногда не один раз. Часть белка, контактирующая с гидрофобной частью липидного бислоя, имеет спиральное строение и состоит из неполярных аминокислот, в силу чего между этими компонентами белков и липидов происходит гидрофобное взаимодействие. Полярные группы гидрофильных аминокислот непосредственно взаимодействуют с примембранными слоями, как с одной, так и с другой стороны бислоя. Молекулы белков, как и молекулы липидов, находятся в динамическом состоянии, для них также характерна вращательная, латеральная и вертикальная подвижность. Она является отражением не только их собственной структуры, но и функциональной активности. что в значительной степени определяется вязкостью липидного бислоя, которая, в свою очередь, зависит от состава липидов, относительного содержания и вида ненасыщенных жирно-кислотных цепей.

Углеводы в биологических мембранах находятся в соединении с белками (гликопротеины) и липидами (гликолипиды). Углеводные цепи белков представляют собой олиго- или полисахаридные структуры, в состав которых входят глюкоза, галактоза, нейраминовая кислота, фукоза и манноза. Углеводные компоненты М.б. открываются в основном во внеклеточную среду, образуя на поверхности клеточных мембран множество ветвистых образований, являющихся фрагментами гликолипидов или гликопротеидов. Их функции связаны с контролем за межклеточным взаимодействием, поддержанием иммунного статуса клетки, обеспечением стабильности белковых молекул в М.б. Многие рецепторные белки содержат углеводные компоненты. Примером могут служить антигенные детерминанты групп крови, представленные гликолипидами и гликопротеинами.

132. Функциональная роль биомембран в поддержании единства и целостности клетки. Мембранные каналы и ферменты.

Функции биологических мембран. Барьерная функция. Для клеток и субклеточных частиц М.б. служат механическим барьером, отделяющим их от внешнего пространства. Функционирование клетки часто сопряжено с наличием значительных механических градиентов на ее поверхности преимущественно вследствие осмотического и гидростатического давления. Основную нагрузку в этом случае несет клеточная стенка, главными структурными элементами которой у высших растений являются целлюлоза, пектин и экстепин, а у бактерий — муреин (сложный полисахарид-пептид). В клетках животных необходимость в жесткой оболочке отсутствует. Некоторую жесткость этим клеткам придают особые белковые структуры цитоплазмы, примыкающие к внутренней поверхности плазматической мембраны.

Перенос веществ через М.б. сопряжен с такими важнейшими биологическими явлениями, как внутриклеточный гомеостаз ионов, биоэлектрические потенциалы, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии и т.п. Различают пассивный и активный транспорт (перенос) нейтральных молекул, воды и ионов через М.б. Пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется путем диффузии по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам. Активный транспорт осуществляется против градиентов, связан с затратой энергии ( АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных систем (мембранных насосов).

Пассивный перенос может осуществляться путем простой диффузии через липидный бислои мембраны, а также через специализированные образования — каналы. Путем диффузии через мембрану проникают в клетку незаряженные молекулы, хорошо растворимые в липидах, в т.ч. многие яды и лекарственные средства, а также кислород и углекислый газ. Каналы представляют собой липопротеиновые структуры, пронизывающие мембраны. Они служат для переноса определенных ионов и могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Проводимость канала зависит от мембранного потенциала, что играет важную роль в механизме генерации и проведения нервного импульса.

В ряде случаев перенос вещества совпадает с направлением градиента, но существенно превосходит по скорости простую диффузию. Этот процесс называют облегченной диффузией; он происходит с участием белков-переносчиков. Процесс облегченной диффузии не нуждается в энергии. Этим способом транспортируются сахара, аминокислоты, азотистые основания. Такой процесс происходит, например, при всасывании сахаров из просвета кишечника клетками эпителия.

Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента (активный транспорт) связан со значительными затратами энергии. Часто градиенты достигают больших величин. В плазматических мембранах клеток различных органов обнаружены системы активного транспорта ионов натрия и калия — натриевый насос. Эта система перекачивает натрий из клетки и калий в клетку (антипорт) против их электрохимических градиентов. Перенос ионов осуществляется основным компонентом натриевого насоса — Na+, К+-зависимой АТФ-азой за счет гидролиза АТФ. На каждую гидролизующуюся молекулу АТФ транспортируется три иона натрия и два иона калия. Существуют два типа Са2+-АТФ-аз. Одна из них обеспечивает выброс ионов кальция из клетки в межклеточную среду, другая — аккумуляцию кальция из клеточного содержимого во внутриклеточное депо.

Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: во-первых, связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами, во-вторых, способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них. Метаболические системы не остаются при этом полностью изолированными. В мембранах, разделяющих клетку, имеются специальные системы, обеспечивающие избирательное поступление субстратов, выделение продуктов, а также движение соединений, обладающих регуляторным действием.

Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия. Под этой формулировкой объединен весьма обширный и разнообразный набор важных функций клеточных мембран, определяющих взаимодействие клетки с окружающей средой и формирование многоклеточного организма как единого целого. Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются прежде всего иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития.

69. Код белкового синтеза.

Как показали результаты биохимических исследований, последовательность нуклеотидов в нуклеиновых кислотах однозначно определяет порядок расположения аминокислотных остатков в полипептидных цепях белковых молекул. В то же время химическая природа мономеров ( нуклеотидов и аминокислоты) настолько различны, что они не могут непосредственно взаимодействовать друг с другом. К тому же в нуклеиновых кислотах варьируется всего 4 нуклеотида, в то время как в белках чередуются 20 остатков различных аминокислот. Отсюда можно сделать, что для каждой аминокислоты существует своя последовательность нуклеотидов – триплет оснований или кодон, который кодирует включение ее в полипептидную цепь белка. Способ кодирования генетической информации получил название генетического кода (его также называют биологическим, нуклеиновым, аминокислотным кодом).

Свойства генетического кода были исследованы впервые Ф.Криком и его сотрудниками. Ими было показано, что генетический код триплетен (т.е. одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов). Затем последовали эксперименты, в ходе которых были разработаны методы определения состава кодонов (М.Ниренберг, И.Маттеи, 1961 г.). Так было выяснено, что триплет нуклеотидов УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин, а триплет ЦЦЦ – пролин. К 70-м гг 20 века удалось полностью выяснить состав генетического кода.

1. Генетический код триплетен

2. Генетический код однозначен, т.е. каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. исключение составляют только инициаторные кодоны АУГ и ГУГ. В начале трансляции они кодируют включение формилметионина, а, находясь внутри цепи, АУГ кодирует метионин, а ГУГ – валин.

3. Генетический код является вырожденным, т.е. одной аминокислоте соттветствует более чем один кодон. например для серина существует шесть, для глицина и аланина – по четыре, для многих других аминокислот – по два. Исключение составляют триптофан и метионин, кодируемые одним кодом.

4. УАГ, УАА и УГА – кодоны-терминаторы, кодирующих прекращение синтеза полипептидной цепи.

5. Самым значимым свойством является универсальность, т.е. он в основном одинаков у организмов, стоящих на разных уровнях развития: у человека, растений, вирусов, бактерий.

49. Пути метаболизма аминокислот в организме.

Основным экзогенными источником аминокислот являются белки пищи. Белки переводятся в доступную для организма форму при переваривании под действием протеолитических ферментов, входящих в состав желудочно—кишечных секретов. Свободные аминокислоты всасываются и после транспорта кровью включаются в клетках в различные пути использования, главным из которых является синтез собственных белков. Кроме того, аминокислоты используются для синтеза других азотсодержащих соединений, например таких, как тироксин, адреналин, гистамин, выполняющих специфические функции. Аминокислоты используются также как источники энергии, включаясь в путь катаболизма. Переваривание пищевых белков начинается в желудке и завершается в тонком кишечнике под действием протеолитических ферментов (пептидгидролазы, пептидазы, протеазы — названия синонимы). Эти ферменты соответственно механизму действия делятся на две группы: эндо — и экзопептидазы. Эндопептидазы: пепсин, трипсин и химотрипсин расщепляют пептидные связи, располагающиеся внутри полипептидной цепи. Причем эти ферменты гидролизуют с наибольшей скоростью пептидные связи, образованные определенными аминокислотами. Эндопептидазы синтезируются в виде неактивных предшественников—проферментов. Таким способом секретирующие клетки защищают свои собственные белки от разрушения этими ферментами. После секреции проферменты активируются путем частичного избирательного протеолиза. Слизистая оболочка желудка и кишечника также защищены от действия протеаз слоем слизи. Кроме того, поверхностный полисахаридный слой плазматической мембраны так же предохраняет клетку от действия протеаз.

Экзопептидазы . Карбоксипептидазы и аминопептидазы гидролизуют пептиды, отщепляя аминокислоты соответственно от С и N конца пептида. Дипептидазы гидролизуют дипептиды. Карбоксипептидаза синтезируется в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы и активируется в кишечнике под действием трипсина. Амино — и дипептидазы синтезируются в клетках тонкого кишечника. Все экзопептидазы функционируют в основном внутриклеточно в кишечном эпителии, хотя могут в небольшом количестве выделяться в просвет кишечника. Эндопептидазы и экзопептидазы в совокупности доводят гидролиз белков до образования аминокислот.

50. Изоэлектрическая точка аминокислот и белков и ее использование. Цвиттер-ионы.

Изоэлектрическая точка - соответствует рН раствора, при котором одинаковы концентрации положительно и отрицательно заряженных форм (напр., для аминокислот) или числа ионизированных кислотных и основных групп (напр., для макромолекул белков и др. полиамфолитов). Значение рН в изоэлектрической точке (обозначают рI, или рНI) определяется величинами констант диссоциации кислотной и основной ф-ций:

pI = 0,5(рК1+рK2).

В изоэлектрической точке суммарный заряд белков, обладающих амфотерными свойствами, равен нулю и белки не перемещаются в электрическом поле. Изоэлектрическая точка большинства белков животных тканей лежит в пределах от 5,5 до 7,0, что свидетельствует о частичном преобладании кислых аминокислот. Однако в природе имеются белки, у которых значения изоэлектрических точек лежат в крайних значениях рН среды. В частности, величина рI пепсина (фермент желудочного сока) равна 1, а сальмина (основной белок из молоки семги) – почти 12. Для большинства аминокислот рI 4,5-6,0 и лишь для кислых и основных аминокислот смещается соотв. в кислую и щелочную область, например, для аспарагиновой кислоты рI 2,77, для лизина 9,47. В изоэлектрической точке растворимость аминокислот в воде минимальна.

В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы в растворе и легко выпадают в осадок. Изоэлектрическая точка белка в сильной степени зависит от присутствия в растворе ионов солей; в то же время на ее величину не влияет концентрация белка.

ЦВИТТЕР-ИОНЫ (биполярные ионы), нейтральные молекулы, содержащие одновременно положит. и отрицат. ионные центры. Цвиттер-ионную структуру с пространственно разделенными зарядами имеют аминокислоты, существующие в виде внутр. солей – бетаинов (соединения, в которых содержатся положительно заряженная ониевая группа и анионная группировка, разделенные одним или несколькими атомами, среди которых есть как природные соединения, содержащие четвертичную аммонийную группу (N,N,N-триметиламиноглицинат — бетаин, тригонеллин — бетаин N-метилникотиновой кислоты и др.), так и фосфониевые и сульфониевые бетаины), а также мезоионные соединения (сидноны и мюнхоны, в которых заряды делокализованы таким образом, что в наборе мезомерных структур присутствуют как структуры с зарядами на соседних так и на несоседствующих атомах). Особый тип цвиттер-ионов представляют илиды (1,2-диполярные соединения, в которых отрицательный заряд локализован на атоме углерода, а положительный — на соседнем гетероатоме, обычно атоме азота (илиды аммониевых солей), фосфора либо серы (илиды фосфония и сульфония).

53. Пептидная связь: механизм образования, свойства. Роль пептидной связи в формировании структуры белка.

Пептидная связь - вид амидной связи; возникает при образовании белков и пептидов результате взаимодействия альфа-аминогруппы (—NH2) одной аминокислоты с альфа-карбоксильной группой (—СООН) др. аминокислоты. Наличие пептидной связи в белках и пептидах было предположено А. Я. Данилевским и Э. Фишером и затем подтверждено химическими и физическими данными.

К свойствам пептидной связи относятся:

1. Копланарность – все атомы входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости, при этом атомы Н и О расположены по разные стороны от пептидной связи.

2. Транс-положение заместителей – радикалы аминокислот по отношению к оси С-N связи находятся по разные стороны, в транс-положении.

3. Две равнозначные формы – пептидная связь имеет кетоформу и енольную форму.

4. Способность к образованию водородных связей – атомы углерода и азота, входящие в пептидную связь обладают способностью образовывать 2 водородные связи с другими пептидными группами.

5. Пептидная связь имеет характер частично двойной связи – длина пептидной связи меньше, чем одинарной связи, вращение вокруг нее затруднено.

57. Четвертичная структура белков. Субъединицы и эпимолекулы. Типы связей между субъединицами. Денатурация белков. Понятие о нативном белке.

У большинства белков пространственная организация заканчивается третичной структурой, но для некоторых белков с молекулярной массой больше 50-100 тысяч, построенных из несколько полипептидных цепей характерна четвертичная. Сущность такой структуры в объединении несколько полимерных цепей были в единый комплекс – эпимолекулы.. Эпимолекулы также рассматривается как белок, состоящий из нескольких субъединиц. Число субъединиц в эпимолекулах колеблется в очень широких пределах: от 2 до 162. Наиболее часто в составе молекул-мультимеров насчитывается 2 или 4 протомера, гораздо реже—6, 8, 10, 12 или 24 и в редчайших случаях—их нечетное количество. Белки, состоящие из нескольких субъединиц, широко распространены в природе (гемоглобин, вирус табачной мозаики, фосфорилаза, РНК-полимераза). Субъединицы принято обозначать греческими буквами (так у гемоглобина имеется по две и субъединицы). Наличие нескольких субъединиц важно в функциональном отношении - оно увеличивает степень насыщения кислородом.

Четвертичная структура стабилизируется в основном силами слабых воздействий: а) водородная; б) гидрофобная; в) ионные; г) ковалентные (дисульфидные, пептидные).

Денатурация белка - разрушение сил (связей), стабилизирующих четвертичную, третичную и вторичную структуры, приводящее к дезориентации конфигурации белковой молекулы и сопровождаемое изменением растворимости, вязкости, химической активности, характера рассеивания рентгеновских лучей, снижением или полной потерей биологической функции.Различают физические (температура, давление, механическое воздействие, ультразвуковое и ионизирующее излучения) и химические (тяжелые металлы, кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды) факторы, вызывающие денатурацию.

Обратным процессом является ренатурация, то есть восстановление физико-химических и биологических свойств белка. Иногда для этого достаточно удалить денатурирующий объект. Ренатурация невозможна если затронута первичная структура.

Нативность - это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии. Например, белок хрусталика глаза - кристаллин - обладает высокой прозрачностью только в нативном состоянии.

54. Первичная структура белков, связи их стабилизирующие. Схема установления первичной структуры. Характеристика структуры отдельных белков. Связь первичной структуры и функций пептидов и белков.

Первичная структура белка - это последовательность ковалентно связанных пептидными связями аминокислот, составляющих белок. Эта последовательность, как правило, записывается, начиная с N- конца полипептидной цепочки. Первой первичной структурой, которая была расшифрована, была последовательность аминокислот в полипептидных цепях гормона инсулина. Эта работа была сделана Фредериком Сэнгером в лаборатории Кэмбриджского Университета (Великобритания). В настоящее время установлена аминокислотная последовательность ( первичная структура) многих тысяч белков. Определение аминокислотных последовательностей основано на принципах, которые впервые были развиты Сэнгером..

Установление первичной структуры начинается с определения аминокислотного состава и молекулярной массы выделенного и очищенного белка. Белки, состоящие из нескольких полипептидных цепей, разделяются с помощью денатурирующих реагентов ( концентрированный раствор мочевины или ДСН) на мономеры. Дисульфидные мостики расщепляют восстановлением меркаптоэтанолом. Для предотвращения дисульфидного обмена и окисления образующихся свободных меркаптогрупп их блокируют каким-либо методом, например алкилированием иодуксусной кислотой с образованием S-карбоксиметильного производного или цианэтилированием акри-лонитрилом. После определения N - и С-концевых аминокислот полипептидная цепь расщепляется химически или ферментативно ( в нескольких вариантах) на меньшие перекрывающиеся фрагменты. Для каждого фрагмента устанавливается аминокислотная последовательность. И наконец, комбинируя отдельные последовательности, приходят к полной последовательности исходной полипептидной цепи.

1. Предмет и задачи биохимии. Значение биохимии

Биологическая химия – наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности. Термин «биохимия» эпизодически употреблялся с середины XIX века, в классическом смысле он был предложен и введён в научную среду в 1903 году немецким химиком Карлом Нойбергом.

Биохимия находится на стыке нескольких наук, прежде всего — биологии и химии.

В зависимости от объекта исследования Б. подразделяют на Б. микробов, растений, животных и человека. Это подразделение условно, т.к. в составе различных объектов и в протекающих в них биохимических процессах много общего. Поэтому результаты исследований, проведённых на микробах, растительных или животных тканях и клетках, взаимно дополняют и обогащают друг друга. Тесно связаны между собой и разные направления биохимических исследований, однако принято делить Б. на статическую, занимающуюся преимущественно анализом состава организмов, динамическую, изучающую превращения веществ, и функциональную, выясняющую, какие химические процессы лежат в основе различных проявлений жизнедеятельности.

Изучение обмена веществ во всех деталях — одна из основных задач Б. Биохимические исследования охватывают очень широкий круг вопросов: нет такой отрасли теоретической или прикладной биологии, химии и медицины, которая не была бы связана с Б., поэтому современная Б. объединяет ряд смежных научных дисциплин, ставших с середины 20 в. самостоятельными.

Значение биохимии как науки для человеческого общества определяется тем, что она является одной из теоретических основ медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, генетической инженерии и ряда отраслей промышленности, лесного дела. В основе многих патологических состояний человека лежат нарушения отдельных биохимических процессов. Известно, например, более ста заболеваний, обусловленных нарушением деятельности ферментативных систем, отсутствием отдельных ферментов вследствие наследственных дефектов. Для некоторых заболеваний характерны изменения в химической структуре ряда высокомолекулярных соединений. Такого рода «молекулярные дефекты» описаны, в частности, для гемоглобина и полисахаридов. Без глубоких знаний молекулярных основ патологии невозможны ни диагностика и лечение, ни профилактика болезней. Успехи биохимии определяют и стратегию создания новых лекарственных препаратов. Большой интерес в этом отношении представляет широкое использование ферментов при лечении некоторых заболеваний, а также использование ферментных препаратов в кормлении животных.

Биохимические процессы и показатели лежат в основе любой технологии пищевой промышленности: хлебопечения, сыроварения, виноделия, пивоварения, производства чая, жиров и масел, переработки молока, мяса и рыбы, плодов и овощей, производства крахмала и патоки. Биохимические знания необходимы для успешной организации кожевенного производства, при изготовлении меховых изделий, обработке натурального шелка. Ферментативные препараты широко используют при изготовлении хлопчатобумажных тканей. Все более расширяются такие биохимические производства, как изготовление витаминов, антибиотиков и других биологически активных соединений, органических кислот, кормового белка. Только на основе глубокого изучения закономерностей обмена веществ сельскохозяйственных растений и животных возможно получение больших урожаев с высоким качеством в растениеводстве и повышение продуктивности в животноводстве. Исключительно эффективно в этом отношении применение в сельском хозяйстве разнообразных химических препаратов: гербицидов, фунгицидов, кормовых витаминов, белков и антибиотиков, дефолиантов и десикантов (вызывают опадение листьев и предуборочное высушивание растений), инсектицидов (уничтожают насекомых-вредителей), репеллентов (отпугивают вредителей) и т. д.

Все перечисленное свидетельствует о большом значении биохимии для человеческого общества, объясняет громадный и все возрастающий интерес к этой науке во всех странах мира.

2. Статическая, динамическая и функциональная биохимия.

Современная биологическая химия охватывает большую область человеческого знания. В связи с огромным объемом фактического материала и разнообразием теоретических обобщений биохимия распадается на ряд отделов, каждый из которых имеет самостоятельное значение. В зависимости от подхода к изучению живой материи биохимию делят на статическую, динамическую и функциональную. Статическая биохимия занимается исследованием химического состава организмов. При этом в понятие химического состава включают как качественный состав соединений, так и количественное их содержание в тех или иных биологических объектах. Динамическая биохимия изучает превращение химических соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жизнедеятельности органических форм. Функциональная биохимия выясняет связи между строением химических соединений и процессами их видоизменения, с одной стороны, и функцией субклеточных частиц специализированных клеток, тканей или органов, включающих в свой состав упомянутые вещества – с другой.

Практически в ходе биологических исследований все три раздела тесно переплетаются друг с другом: ведь в живом организме состав и строение веществ неотделимы от их преобразований, равно как и от функций тех структур, органов и тканей, в которых эти вещества находятся.

3. История развития биохимии. Отечественные биохимические школы

Как самостоятельная наука биохимия сформировалась примерно 100 лет назад, однако биохимические процессы люди использовали ещё в глубокой древности, не подозревая, разумеется, об их истинной сущности. В самые отдалённые времена уже была известна технология таких основанных на биохимических процессах производств, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, выделка кож. Необходимость борьбы с болезнями заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, искать объяснения целебным свойствам лекарственных растений. Использование растений в пищу, для изготовления красок и тканей также приводило к попыткам понять свойства веществ растительного происхождения.

Арабский учёный и врач 5 века Авиценна в своей книге «Канон врачебной науки» подробно описал многие лекарственные вещества.

Итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи на основании своих опытов сделал важный вывод о том, что живой организм способен существовать только в такой атмосфере, в которой может гореть пламя.

18 век ознаменовался трудами М. В. Ломоносова и А. Л. Лавуазье. На основе открытого ими закона сохранения массы веществ и накопленных к концу столетия экспериментальных данных, была объяснена сущность дыхания и исключительная роль в этом процессе кислорода.

Изучение химии жизни уже в 1827 г. привело к принятому до сих пор разделению биологических молекул на белки, жиры и углеводы. Автором этой классификации был английский химик и врач Уильям Праут. В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал мочевину: сначала — из циановой кислоты и аммиака (выпариванием раствора образующегося цианата аммония), а позже в этом же году — из углекислого газа и аммиака. Тем самым впервые было доказано, что химические вещества живого организма могут быть синтезированы искусственно, вне организма. Работы Вёлера нанесли первый удар по теориям представителей школы виталистов, предполагавших присутствие во всех органических соединениях некой «жизненной силы». Последующими мощными толчками в этом направлении химии явились лабораторные синтезы липидов (в 1854 году — П. Бертло, Франция) и углеводов из формальдегида (1861 — А. М. Бутлеров, Россия). Бутлеровым была также разработана теория строения органических соединений (1861).

В 1882 году Иван Горбачевский впервые в мире осуществил синтез мочевой кислоты из глицина. В дальнейших исследованиях он установил источник и пути её образования в человеческом и животном организмах. В 1885 году ему удалось получить метилмочевую кислоту из метилгидантоина и карбамида. В 1886 году он предложил новый метод синтеза креатина, а в 1889—1891 годах открыл фермент ксантиноксидазу. Иван Горбачевский одним из первых указал, что аминокислоты являются составляющими белков.

Новый толчок развитию биологической химии дали работы по изучению брожения, инициированные Луи Пастером. В 1897 г. Эдуард Бухнер доказал, что ферментация сахара может происходить в присутствии бесклеточного дрожжевого экстракта, и это процесс не столько биологический, сколько химический. На рубеже XIX и XX веков работал немецкий биохимик Э. Фишер. Он сформулировал основные положения пептидной теории строения белков, установил структуру и свойства почти всех входящих в их состав аминокислот. Но лишь в 1926 г. Джеймсу Самнеру удалось получить первый чистый фермент, уреазу, и доказать, что фермент — это белок.

Биохимия стала первой биологической дисциплиной с развитым математическим аппаратом благодаря работам Холдейна, Михаэлиса, Ментен и других биохимиков, создавших ферментативную кинетику, основным законом которой является уравнение Михаэлиса-Ментен.

Открытие ферментов позволило начать грандиозную работу по полному описанию всех процессов метаболизма, не завершённую до сих пор. Одними из первых значительных находок в этой области стали открытия витаминов, гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

В 1928 г. Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности неопасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок, а нуклеиновая кислота. Сама по себе нуклеиновая кислота не опасна, она лишь переносит гены, определяющие патогенность и другие свойства микроорганизма. В 1953 году американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик описали структуру ДНК — ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки — молекулярной биологии.

4. Химический состав организмов.

Общий химический состав. В организмах, составляющих биомассу Земли, обнаружено свыше 60 химических элементов. Среди них условно выделяют группу элементов, встречающихся в составе любого организма. К их числу относят С, N, Н, О, S, Р, Na, К, Са, Mg, Zn, Fe, Мп, Cu, Со, Мо, В, V, I и Cl. Первым шести элементам приписывают исключительную роль в биосистемах, так как из них построены важнейшие соединения, составляющие основу живой материи - белки,нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.; последующие десять называют «металлами жизни» - они крайне важны для поддержания структуры и функциональной активности биополимеров; бор и ванадий весьма существенны для растительных и животных объектов соответственно, а хлор образует наиболее распространенный анион. Остальные элементы, обнаруженные в биомассе, встречаются в живой природе не столь систематически, а биологическое значение их во многих случаях еще не выяснено.

По количественному содержанию в живом веществе элементы делят на три категории: макроэлементы, концентрация которых превышает 0,001 % (О, С, Н, Са, N, Р, S, Mg, Na, Cl, Fe), микроэлементы, доля которых составляет от 0,001 до 0,000001 % (Мn, Zn, Cu, В, Мо, Со и многие другие) и ультрамикроэлементы, содержание которых не превышает 0,000001 % (Hg, Au, U, Ra и др.).

Из макроэлементов в наибольшем количестве в биомассе содержатся О, С, Н, N и Са. Полагают, что Н, О, С, N и Р, составляющие вместе более 99% живого вещества, играют выдающуюся роль в явлениях жизни благодаря наличию у них комплекса особых качеств. Первое из них состоит в способности образовывать кратные связи. Вследствие этого С, например, превосходит Si в отношении числа и разнообразия возможных соединений, обладающих уникальными свойствами. Второе качество заключается в том, что атомы упомянутых элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно плотныe молекулы с минимальными межатомными расстояниями. Такие молекулы более устойчивы к действию тех или иных химических агентов. И наконец, третье качество присуще в основном Р и S и лишь в небольшой мере N. Оно сводится к возникновению на базе указанных элементов некоторых специфических соединений, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии, используемой для процессов жизнедеятельности.

Многочисленные макро- и микроэлементы, образующие живую материю, присутствуют в последней в виде разнообразных химических соединений. Примерно 75% биомассы составляет вода. Вода играет огромную роль в создании условий для жизнедеятельности. Она образует ту среду, в которой протекают физико-химические процессы, обеспечивающие постоянное возобновление живого вещества, а также участвует в реакциях гидролиза.

Вторым по количественному содержанию в биологических объектах являются белки. В среднем можно принять, что в сухом веществе организмов содержится 40-50% белка. Обладая рядом специфических качеств белковые тела являются принципиальной составной частью живых систем.

Как выяснено в последние годы, очень важную роль в осуществлении жизненных процессов играют нуклеиновые кислоты (передают информацию о специфическом воспроизведении структуры важнейших биополимеров), высшие углеводы (обеспечивают межклеточные контакты и др.), некоторые виды липидов (участвуют в образовании мембранного аппарата клеток).

Остальные 50% сухого вещества организмов представлены соединениями других классов. Это нуклеиновые кислоты (их доля в сухом веществе довольно стабильна и равна нескольким процентам), углеводы и липиды (их содержание в организмах сильно варьирует, причем в растительном мире преобладают углеводы, а в животном - липиды) и минеральные вещества (составляют в среднем около 10% от сухого вещества биомассы).

Кроме белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и минеральных веществ в составе организмов найдены в незначительных количествах углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, кетокислоты, аминокислоты, эфиры, амины и разнообразные другие соединения. Многие из упомянутых соединений обладают мощным физиологическим действием и выполняют роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. Их иногда объединяют под названием биологически активных соединений, хотя химически они очень разнообразны. Это - витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коэнзимы, антибиотики, фитонциды и т. п. Сюда же относятся вещества, возникающие в качестве промежуточных продуктов при тех или иных химических реакциях в организме. Эти соединения называются метаболитами.

Среди соединений, входящих в состав организмов, принято выделять пластические и энергетические вещества. Пластические вещества служат строительным материалом при формировании внутриклеточных структур, клеток и тканей. Это главным образом белки, нуклеиновые кислоты, некоторые виды липидов и высокомолекулярных углеводов. Энергетические вещества выполняют роль поставщиков энергии для процессов жизнедеятельности, распадаясь при этом до СО2 и воды. К ним относятся низкомолекулярные и некоторые высокомолекулярные (гликоген, крахмал) углеводы и отдельные группы липидов (в основном жиры).

5. Витамины. Классификация и номенклатура. Витамерия. Жирорастворимые витамины.

Витамины – это группа низкомолекулярных органических соединений различного химического происхождения, необходимых для нормального функционирования всех органов и систем, роста и развития организма в целом.

В 1913 г. по предложению Мак-Коллума отдельные витамины по мере их выделения условились обозначать буквами латинского алфавита: А, В, С и т.д. После того как была исследована химическая природа ряда витаминов стали вводить их химические названия.

По физико-химическим свойствам:

1. Жирорастворимые (витамины А - ретинол, D - холекальциферол, E - токоферол, K- филлохинон) – они содержатся в пищевых продуктах богатых липидами.

2. Водорастворимые (С - аскорбиновая кислота, Н - биотин, B1 - тиамин, B2 - рибофлавин, B3 – никотиновая кислота, B5 – пантотеновая кислота, B6 - пиридоксин, Bc – фолиевая кислота, B12 - кобаламин) – не способны накапливаться, поэтому их поступление должно быть ежедневным.

Некоторые витамины представлены не одним, а несколькими близкими по химическому строению веществами. Эти соединения, обладающие одним и тем же биологическим действием, но различающиеся витаминной активностью называются витамерами. Витамин Д присутствует в 2 формах: Д2-эргокальциферол и Д3-холекальциферол.

Жирорастворимые витамины

В химическом отношении жирорастворимые витамины А, D, E и К относятся к изопреноидам.

Витамин А (ретинол) является предшественником группы "ретиноидов", к которой принадлежат ретиналь и ретиноевая кислота. Ретинол образуется при окислительном расщеплении провитамина β-каротина. Ретиноиды содержатся в животных продуктах, а β-каротин — в свежих фруктах и овощах (в особенности в моркови). Ретиналь обуславливает окраску зрительного пигмента родопсина. Ретиноевая кислота выполняет функции ростового фактора. При недостатке витамина А развиваются ночная ("куриная") слепота, ксерофтальмия (сухость роговой оболочки глаз), наблюдается нарушение роста.

Витамин D (кальциферол) при гидроксилировании в печени и почках образует гормон кальцитриол (1α,25-дигидроксихолекальциферол). Вместе с двумя другими гормонами (паратгормоном, или паратирином, и кальцитонином) кальцитриол принимает участие в регуляции метаболизма кальция. Кальциферол образуется из предшественника 7-дегидрохолестерина, присутствующего в коже человека и животных, при облучении ультрафиолетовым светом. Если УФ-облучение кожи недостаточно или витамин D отсутствует в пищевых продуктах, развивается витаминная недостаточность и, как следствие, рахит у детей, остеомаляция (размягчение костей) у взрослых. В обоих случаях нарушается процесс минерализации (включения кальция) костной ткани.

Витамин Ε включает токоферол и группу родственных соединений с хромановым циклом. Такие соединения содержатся только в растениях, особенно их много в проростках пшеницы. Для ненасыщенных липидов эти вещества являются эффективными антиоксидантами.

Витамин К — общее название группы веществ, включающей филлохинон и родственные соединения с модифицированной боковой цепью. Недостаток витамина К наблюдается довольно редко, так как эти вещества вырабатываются микрофлорой кишечника. Витамин К принимает участие в карбоксилировании остатков глутаминовой кислоты белков плазмы крови, что важно для нормализации или ускорения процесса свертывания крови. Процесс ингибируется антагонистами витамина К (например, производными кумарина), что находит применение как один из методов лечения тромбозов.

6. Витамины. Классификация, роль в обмене веществ. Механизмы формирования авитаминозов, гиповитаминозов, дисвитаминозов.

Витамины – это группа низкомолекулярных органических соединений различного химического происхождения, необходимых для нормального функционирования всех органов и систем, роста и развития организма в целом.

По физико-химическим свойствам:

1. Жирорастворимые (витамины А - ретинол, D – холекальциферол, E - токоферол, K- филлохинон) – они содержатся в пищевых продуктах богатых липидами.

2. Водорастворимые (С - аскорбиновая кислота, Н - биотин, B1 - тиамин, B2 - рибофлавин, B3 – никотиновая кислота, B5 – пантотеновая кислота, B6 - пиридоксин, Bc – фолиевая кислота, B12 - кобаламин) – не способны накапливаться, поэтому их поступление должно быть ежедневным.

Роль витаминов в обмене веществ:

1. Многие витамины являются предшественниками коферментов. Эту роль выполняют почти все водорастворимые витамины:

• Витамин В1 входит в состав тиаминдифосфата кофермента декарбоксилаз альфа-кетокислот.

• Витамин В2 является компонентом ФМН и ФАД кофермента аминотрансфераз и декарбоксилаз аминокислот и т.д.

2. Некоторые витамины являются сильными антиоксидантами, препятствуют активации свободнорадикальных процессов

3. Производные жирорастворимых витаминов А и Д являются сигнальными молекулами, т.к. действуют через рецепторы. Витамин А превращается в организме в сигнальную молекулу – ретиноевую кислоту, а витамин Д – в гормон кальцитриол.

4. Некоторые витамины (аскорбиновая кислота) участвуют в образовании сигнальных молекул – нейромедиаторов и гормонов.

5. Отдельные витамины (Вс, В12) участвуют в синтезе незаменимых аминокислот (метионина).

Авитаминоз – это патологическое состояние вызванное отсутствием витамина в организме.

Гиповитаминоз – патологическое состояние вызванное недостатком витамина. Избыточное поступление и накопление витаминов – гипервитаминоз.

Дисвитаминоз – патологическое состояние, развивающееся вследствие недостаточности содержания и эффектов одного или нескольких витаминов в сочетании с гиперэффектами другого или нескольких витаминов.

7. Витамины В1 и В6

Витамин B1 (тиамин). Структура витамина включает пиримидиновое и тиазоловое кольца, соединённые метановым мостиком. Тиамин играет важную роль в процессах метаболизма углеводов и жиров. Вещество необходимо для нормального протекания процессов роста и развития и помогает поддерживать надлежащую работу сердца, нервной и пищеварительной систем. Тиамин, являясь водорастворимым соединением, не запасается в организме и не обладает токсическими свойствами. В природе тиамин синтезируется растениями и многими микроорганизмами. Животные и человек не могут синтезировать тиамин и получают его вместе с пищей. В тиамине нуждаются все животные за исключением жвачных, так как бактерии в их кишечнике синтезируют достаточное количество витамина.

Всасываясь из кишечника, тиамин фосфорилируется и превращается в тиаминпирофосфат.

Системный дефицит тиамина является причинным фактором развития ряда тяжёлых расстройств, ведущее место в которых занимают поражения нервной системы. Комплекс последствий недостаточности тиамина известен под названием болезни бери-бери. При бери-бери наблюдаются слабость, потеря веса, атрофия мышц, невриты, нарушения интеллекта, расстройства со стороны пищеварительной и сердечно-сосудистой системы, развитие парезов и параличей. Основные количества тиамина человек получает с растительной пищей. Богаты тиамином такие растительные продукты, как пшеничный хлеб из муки грубого помола, соя, фасоль, горох, шпинат. Меньше содержание тиамина в картофеле, моркови, капусте. Из животных продуктов содержанием тиамина выделяются печень, почки, мозг, свинина, говядина, также он содержится в дрожжах. В молоке его содержится около 0,5 мг/кг.[5] Витамин B1 синтезируется некоторыми видами бактерий, составляющих микрофлору толстого кишечника.

Витамин В6. В основе структуры витамина В6 лежит пиридиновое кольцо. Известны 3 формы витамина В6 все они характеризуются одинаковой биологической активностью. Играет важную роль в обмене веществ, необходим для нормального функционирования центральной и периферической нервной системы, участвует в синтезе нейромедиаторов. В фосфорилированной форме обеспечивает в процессы декарбоксилирования, переаминирования, дезаминирования аминокислот, участвует в синтезе белка, ферментов, гемоглобина, простагландинов, обмене серотонина, катехоламинов, глутаминовой кислоты, ГАМК, гистамина, улучшает использование ненасыщеных жирных кислот, снижает уровень холестерина и липидов в крови, улучшает сократимость миокарда, способствует превращению фолиевой кислоты в ее активную форму, стимулирует гемопоэз. Источники витамина В6 для человека - такие продукты питания, как яйца, печень, молоко, зеленый перец, морковь, пшеница, дрожжи. Некоторое количество витамина синтезируется кишечной флорой.

8. Витамины В2 и РР

Витамин B2 интенсифицирует процессы обмена веществ в организме, участвуя в метаболизме белков, жиров и углеводов.Рибофлавин необходим для образования красных кровяных телец и антител, для дыхания клеток и роста. Он облегчает поглощение кислорода клетками кожи, ногтей и волос. Он улучшает состояние органа зрения, принимая, наряду с витамином A, участие в процессах темновой адаптации, снижает усталость глаз и играет большую роль в предотвращении катаракты. Витамин B2 оказывает положительное воздействие на слизистые оболочки пищеварительного тракта. Рибофлавин сводит к минимуму негативное воздействие различных токсинов на дыхательные пути. Рибофлавин необходим для метаболизма триптофана, который превращается в организме в ниацин. Одним из ценнейших качеств рибофлавина является его способность ускорять в организме превращение пиридоксина - витамина B6 - в его активную форму. Главные источники витамина В2 - печень, почки, яйца, молоко, дрожжи. Витамин содержится также в шпинате, пшенице, ржи. Частично человек получает витамин В2 как продукт жизнедеятельности кишечной микрофлоры. Клинические проявления недостаточности рибофлавина выражаются в остановке роста у молодых организмов. Часто развиваются воспалительные процессы на слизистой оболочке ротовой полости, появляются длительно незаживающие трещины в углах рта, дерматит носогубной складки. Типично воспаление глаз: конъюнктивиты, васкуляризация роговицы, катаракта. Кроме того, при авитаминозе В2 развиваются общая мышечная слабость и слабость сердечной мышцы.

Витамин PP существует в двух формах - никотиновой кислоты и никотинамида. Активное воздействие витамина PP на обменные процессы обусловлено его вхождением в состав ниацинамидадениндинуклеотида (НАД) и ниацинамидадениндинуклеотида фосфата (НАДФ), являющихся кофакторами ряда ферментов. В частности, ниацинамид входит в состав кодегидраз, являющихся переносчиками водорода к флавопротеиновым ферментам, и тем самым регулирует окислительно-восстановительные процессы в организме. Витамин РР широко распространён в растительных продуктах, высоко его содержание в рисовых и пшеничных отрубях, дрожжах, много витамина в печени и почках крупного рогатого скота и свиней. Витамин РР может образовываться из триптофана (из 60 молекул триптофана может образоваться 1 молекула никотинамида), что снижает потребность в витамине РР при увеличении количества триптофана в пище. Недостаточность витамина РР приводит к заболеванию "пеллагра", для которого характерны 3 основных признака: дерматит, диарея, деменция ("три Д"), Пеллагра проявляется в виде симметричного дерматита на участках кожи, доступных действию солнечных лучей, расстройств ЖКТ (диарея) и воспалительных поражений слизистых оболочек рта и языка. В далеко зашедших случаях пеллагры наблюдают расстройства ЦНС (деменция): потеря памяти, галлюцинации и бред.

9. Витамины H (биотин) и В3 (пантотеновая кислота)

Открытие биотина связано с изучением куриного яйца. В 1916 году биолог Бетеман стал кормить лабораторных крыс свежим яичным белком в качестве основного источника протеинов. Ученый вскоре заметил у животных нарушения мышечных функций, поражения кожи и выпадение шерсти. Однако этих симптомов удавалось избегать, когда животных стали кормить не сырым, а вареным желтком. В 1936 году Кегль и Тоннис получили из яичного желтка вещество, названное биотином.

Биотином богаты печень, почки, яйца, молоко, дрожжи. Витамин Н содержится в овощах (красной свекле, капусте, шпинате), в бобовых, в грибах, фруктах; присутствует в листьях черники, лесной земляники.

Биотин играет важную роль в углеводном обмене: он взаимодействует с инсулином и стабилизируют содержание сахара в крови. Кроме того, он участвует в производстве глюкокиназы – вещества которое запускает процесс обмена глюкозы. Биотин помогает усваивать белок, участвует в разложении жирных кислот и в сжигании жира. В обмене веществ он является союзником витаминов группы В: фолиевой кислоты, пантотеновой кислоты, витамина В 12. Биотин содержит серу и доставляет ее волосам, ногтям и коже. Сера участвует в синтезе белка – коллагена, определяющего структуру кожи.

Симптомы недостаточности: Выпадение волос, покрасневшая и шелушащаяся кожа лица и шеи, а также неврологические нарушения, депрессия. Нехватка биотина может быть вызвана употреблением большого количества сырых яичных белков, так как они содержат вещество, дезактивирующее биотин.

Пантотеновая кислота получила свое название от греческого "пантотен", что означает "всюду", из-за чрезвычайно широкого ее распространения. Пантотеновая кислота по химической природе является дипептидом и состоит из остатков аминокислоты бетта-аланина и пантоевой кислоты. Пантотеновая кислота, попадая в организм, превращается в пантетин, который входит в состав коэнзима А, который играет важную роль в процессах окисления и ацетилирования. Коэнзим А - одно из немногих веществ в организме, участвующее в метаболизме и белков, и жиров, и углеводов. Витамин В5 необходим для обмена жиров, углеводов, аминокислот, синтеза жизненно важных жирных кислот, холестерина, гистамина, ацетилхолина, гемоглобина. Важнейшим свойством витамин В5 является его способность стимулировать производство гормонов надпочечников - глюкокортикоидов, что делает его мощным средством для лечения таких заболеваний как артрит, колит, аллергия и болезни сердца. Он играет важную в формировании антител, способствует усвоению других витаминов, а также принимает участие в синтезе нейротрансмиттеров. Пантотеновая кислота участвует в метаболизме жирных кислот. Она нормализует липидный обмен и активирует окислительно-восстановительные процессы в организме.

Пантотеновая кислота содержится в очень многих продуктах животного и растительного происхождения (дрожжи, икра рыб, яичный желток, зелёные части растений, молоко, морковь, капуста и т. д.). Пантотеновая кислота синтезируется также кишечной флорой.

Недостаток пантотеновой кислоты в организме приводит к нарушениям обмена веществ, на основе которых развиваются дерматиты, депигментация и потеря волос, шерсти или перьев, прекращение роста, истощение, изменения в надпочечниках и нервной системе, а также расстройства координации движений, функций сердца и почек, желудка, кишечника.

10. Витамин С и фолиевая кислота.

Аскорбиновая кислота — органическое соединение, родственное глюкозе, является одним из основных веществ в человеческом рационе, которое необходимо для нормального функционирования соединительной и костной ткани. Выполняет биологические функции восстановителя и кофермента некоторых метаболических процессов, является антиоксидантом. Биологически активен только один из изомеров — L-аскорбиновая кислота, который называют витамином C. В природе аскорбиновая кислота содержится во многих фруктах и овощах. Впервые в чистом виде витамин С был выделен в 1928 году, а в 1932 году было доказано, что именно отсутствие аскорбиновой кислоты в пище человека вызывает цингу. Витамин С важен для роста и восстановления клеток тканей, десен, кровеносных сосудов, костей и зубов, способствует усвоению организмом железа, ускоряет выздоровление.

Наиболее богаты аскорбиновой кислотой: киви, шиповник, красный перец, цитрусовые, чёрная смородина, лук, томаты, листовые овощи (салат, капуста, брокколи, брюссельская капуста, цветная капуста, и т.д.), печень, почки, картофель..

При дефиците витамина С - кровоточивость десен, выпадение зубов, частые простуды, варикозное расширение вен, геморрой, излишний вес, повышенная утомляемость, раздражительность, плохая концентрация внимания, депрессии, бессонница, раннее образование морщин, выпадение волос, ухудшение зрения.

Фолиевая кислота (витамин B9) — водорастворимый витамин, необходимый для роста и развития кровеносной и иммунной систем. Животные и человек не синтезируют фолиевую кислоту, получая её вместе с пищей, либо благодаря синтезу микрофлорой кишечника. Фолиевая кислота в значимых количествах содержится в зелёных овощах с листьями, в некоторых цитрусовых, в бобовых, в хлебе из муки грубого помола, дрожжах, печени, входит в состав мёда. В 1931 году исследователь Люси Уиллс сообщила о том, что приём дрожжевого экстракта помогает вылечить анемию у беременных женщин. Это наблюдение привело исследователей в конце 1930-х годов к идентификации фолиевой кислоты как главного действующего фактора в составе дрожжей. Фолиевая кислота была получена из листьев шпината в 1941 году и впервые синтезирована химическим способом в 1945. Фолиевая кислота необходима для создания и поддержания в здоровом состоянии новых клеток, поэтому её наличие особенно важно в периоды быстрого развития организма — на стадии раннего внутриутробного развития и в раннем детстве. Процесс репликации ДНК требует участия фолиевой кислоты, и нарушение этого процесса увеличивает опасность развития раковых опухолей. В первую очередь от нехватки фолиевой кислоты страдает костный мозг, в котором происходит активное деление клеток. Клетки-предшественники красных кровяных телец (эритроцитов), образующиеся в костном мозге, при дефиците фолиевой кислоты увеличиваются в размере, образуя так называемые мегалобласты и приводя к мегалобластной анемии. Основная функция фолиевой кислоты и её производных — перенос одноуглеродных групп, например метильных и формильных, от одних органических соединений к другим. Главная активная форма фолиевой кислоты — тетрагидрофолиевая кислота, образуемая с помощью фермента дигидрофолат редуктазы.

11. Витаминоподобные соединения.

Витаминоподобные соединения относятся к биологически активным соединениям, выполняющим важные и разнообразные функции в организме, по своим биологическим свойствам схoдны с витаминами, но требуются обычно в более значительных количествах. Их можно разделить на несколько групп.

Холин (Витамин В4) - обладает липотропными свойствами, которые проявляются при его участии в синтезе фосфолипидов в печени. Оказывает влияние на процессы белкового и жирового обмена, обезвреживая ряд вредных веществ. Препятствует жировой инфильтрации печени. Эффективен в профилактике атеросклероза. Улучшает умственную деятельность. Защищает печень (в том числе при алкогольном поражении). Основные источники - печень, рис, яйца, творог, овсяная крупа.

Инозитол (Витамин В8) - обладает выраженным седативным действием. Оказывает стимулирующее воздействие на моторную функцию пищеварительного тракта. Участвует в профилактике ожирения и сахарного диабета. Основные источники - капуста, свекла, морковь, картофель, томаты, клубника.

Парааминбензойная кислота (Витамин В10). У животных под влиянием недостаточности этого вещества возникают нарушения пигментоообразования, задержка роста и развития. В организме человека это вещество поддерживает баланс кишечной микрофлоры и участвует в производстве красных кровяных телец. Основные источники - капуста, свекла, петрушка.

Оротовая кислота (Витамин В13) - стимулирует белковый обмен. Благотворно влияет на состояние печени, ускоряет регенерацию печеночных клеток. Основные источники - пивные дрожжи, молочные продукты, печень.

Пангамовая кислота (Витамин В15) - улучшает тканевое дыхание. Участвует в окислительных процессах, стимулируя их, в связи с чем используется при острых и хронических интоксикациях. Стимулирует работу надпочечников, печени. Применяется в общем комплексе лечения атеросклероза, ревматизма, некоторых заболеваний сердца, печени, особенно обусловленных хроническим алкоголизмом. Основные источники - семена растений (подсолнечник, кунжут и т.д.), пивные дрожжи, печень.

Метилметионин сульфоний хлорид (Витамин U) - нормализует работу желудка, благотворно влияет на слизистую желудка, стимулируя регенерацию ее клеток. Улучшает холестериновый обмен. Основные источники - капуста, свекла, петрушка.

12. Антивитамины

Антивитамины представляют соединения, конкурирующие с витаминами в соответствующих биохимических процессах или выключающие витамины из обмена веществ путем их разрушения или связывания. Примером антивитаминов первого типа, конкурирующих, могут служить структурные аналоги витамина РР. Соединяясь с адениловой кислотой, они способны образовывать псевдоферменты, имитирующие НАД+ и блокирующие деятельность НАД+- зависимых оксидоредуктаз.

Примером антивитаминов второго типа, выключающих, является авидин – яичный белок, образующий с витамином Н нерастворимый биологически неактивный комплекс, препятствующий использованию этого витамина в обмене веществ.

Для многих витаминов существуют природные или полученные синтетическим путем антивитамины. Поскольку возбудители инфекционных заболеваний – бактерии и вирусы, а также клетки опухолей обладают повышенной чувствительностью к отсутствию ряда витаминов, антивитамины используют как терапевтические средства.

13. Коферменты, их виды. Понятие о простетических группах

Из числа известных в настоящее время ферментов примерно 40%, проявляют свои каталитические функции в присутствии добавочных соединений небелковой природы-коферментов, или коэнзимов. К числу таких ферментов относятся большинство оксидоредуктаз и трансфераз, все лигазы, значительная часть лиаз и некоторые изомеразы. Лишь гидролазы не нуждаются в коферментах и осуществляют каталический процесс исключительно при посредстве активных центров, образованных аминокислотными радикалами полипептидной цепи фермента. В подавляющем большинстве случаев коферменты регенерируются в неизменном виде по завершении каталитического акта, и это отличает их от субстратов ферментативных реакций. Однако в многостадийных химических процессах, ускоряемых ферментами, на определенном этапе кофермент может выступать как субстрат и приходит в исходное состояние лишь по завершении всей цепи реакций или после химических преобразований, ведущих к восстановлению уровня его нормального содержания в клетке. Весьма существенно, что коферментами часто служат витамины.

Химическая природа коферментов крайне разнообразна. Среди них встречаются органические вещества, относящиеся к алифатическому и ароматическому ряду, а также гетероциклические соединения, как одно-, так и многоядерные. Коферментам нельзя дать единую физико-химическую характеристику, поскольку эта сборная группа соединений, объединенная лишь одним признаком - способностью соединяться с белками-апоферментами с образованием каталитически активных холоферментов. Термин «кофермент» впервые появился в 1897 г., когда Т. Бертран, изучая свойства лактазы обозначил этим термином активатор этого ферментa-Mn2+. Следующей важной вехой в развитии учения о коферменте было исследование английских биохимиков А. Гaрдена и В. Юнга, которые в 1906 г. доказали наличие в ферментном препарате дрожжей-зимазе термостабильного отделяемого ультрафильтрацией фактора-козимазы.

Из энзимов, функционирующих с коферментами в качестве обязательных партнеров каталитических реакций используют НАД+, НАДФ+, коэнзим А и АТФ. Они составляют самую многочисленную группу так называемых нуклеотидных коферментов. Не менее распространенным коферментом является пиридоксальфосфат. У ряда ферментов коферментами являются ФМН и ФАД, а также соединения хиноидной природы. В качестве коферментов выступают и иные органические соединения. Так, в окислительно-восстановительных реакциях коферментами служат липоевая кислота, глутатион и железопорфирины, в реакциях переноса гликозильных остатков и их производных нуклеозиддифосфатсахара, в реакциях переноса азотистых оснований при биосинтезе фосфолипидов-цитидиндифосфатхолин и т. п.

Простетическая группа — небелковый (и не производный от аминокислот) компонент, связанный с белком, который выполняет важную роль в биологической активности соответствующего белка. Простетические группы могут быть органическими (витамины, углеводы, липиды) или неорганическими (например, ионы металлов). Простетические группы прочно связаны с белками и даже могут быть присоединены ковалентными связями. Часто играют важную роль в функционировании ферментов. Белок без простетической группы называется «апобелок», а белок с присоединенной группой — «холобелок» (или, соответственно, в случае ферментов — апофермент и холофермент). Примером может являться гем, который является простетической группой в молекуле гемоглобина. Простетические группы — это подкласс кофакторов. Они отличаются от коферментов тем, что простетические группы постоянно связаны с ферментами, в то время как коферменты связаны с ферментами непостоянно.

14. Водорастворимые витамины

Витамины, которые растворяются в воде и из пищи поступают сразу в кровь, называются водорастворимыми. Они не накапливаются в тканях и достаточно быстро выводятся из организма. С одной стороны, такие свойства позволяют избежать их избытка в организме, с другой – постоянно образующийся дефицит приходится восполнять. Поэтому в ежедневное меню стоит включить продукты, богатые водорастворимыми витаминами.

Витамин В1 (Тиамин) называют антиневритным витамином, что характеризует его основное действие на организм. Тиамин не может накапливаться в организме, поэтому необходимо, что бы он поступал в организм ежедневно. Витамин В1 необходим для нормальной работы каждой клетки организма, особенно для нервных клеток. Он стимулирует работу мозга, необходим для сердечно-сосудистой и эндокринной систем, для обмена вещества ацетилхолина, являющимся химическим передатчиком нервного возбуждения. Тиамин нормализует кислотность желудочного сока, двигательную функцию желудка и кишечника, повышает сопротивляемость организма к инфекциям. Он улучшает пищеварение, нормализует работу мышц и сердца, способствует росту организма и участвует в жировом, белковом и водном обмене.

Витамин В2 (Рибофлавин, лактофлавин, витамин G) относится к флавинам - вещество желтого цвета (желтый пигмент). Он устойчив во внешней среде, хорошо переносит нагревание, но плохо переносит солнечный свет, теряя свои витаминные свойства под его влиянием. Витамин В2 принимает активное участие в образовании некоторых гормонов и эритроцитов, синтезе АТФ, защищает сетчатку от избыточного воздействия УФ-лучей, обеспечивает адаптацию к темноте, повышает остроту зрения и восприятие цвета и света. Рибофлавин нужен для роста и обновления тканей, положительно влияет на состояние нервной системы, печени, кожи, слизистых оболочек. Он необходим для нормального развития плода при беременности и для роста детей. Сохраняет кожу, ногти и волосы здоровыми.

Витамин В3, B5 (пантотеновая кислота) чрезвычайно широко распространен в природе, в связи с чем и назван пантотеновой - по-гречески "вездесущая". Витамин В5 регулирует двигательную функцию кишечника и функции нервной системы, участвует в образовании передатчика нервного возбуждения - ацетилхолина. Кроме того, этот витамин ослабляет вредное действие антибиотиков, поддерживает иммунитет, ускоряет заживление ран. Этот витамин входит в состав ферментов, которые играют очень важную роль в обмене веществ - расщепляют белки, жиры и углеводы для получения энергии. Витамин В5 участвует в образовании гормонов коры надпочечников, витамина D, аминокислот, холестерина, и в выработке эритроцитов.

Витамин В6 (Пиридоксин, пиридоксамин, пиридоксаль, адермин) содержится как в продуктах животного происхождения, так и растительного, поэтому при обычном смешанном питании потребность в данном витамине почти полностью удовлетворяется. Витамин В6 необходим для нормальной работы центральной нервной системы, помогает избавиться от ночных спазмов мышц, судорог икроножных мышц, онемения рук. Также он нужен для нормального синтеза нуклеиновых кислот, которые препятствуют старению организма и для поддержания иммунитета. Так же Пиридоксин участвует в построении ферментов, обеспечивающих нормальную работу более 60 различных ферментативных систем, улучшает усвоение ненасыщенных жирных кислот.

Витамин В9 (Фолат, фолиевая кислота, фолацин) впервые выделен из листьев шпината, отсюда и название - "folium" по латыни "лист". Фолиевая кислота в основном содержится в растениях и в небольшом количестве синтезируется микрофлорой кишечника. Витамин В9 необходим для нормального кроветворения и деятельности пищеварительной системы. Он участвует в регуляции процесса деления клеток и в синтезе аминокислот, нуклеиновых кислот, медиаторов нервной системы - серотонина и норадренолина. Этот витамин необходим организму для производства новых клеток (кожи, волос, крови и др.). Фолиевая кислота оказывает благотворительное влияние на жировой обмен в печени, обмен холестерина, холина и некоторых витаминов. Она улучшает аппетит и обеспечивает здоровый вид коже.

Витамин B12 (Антианемический витамин, кобаламин, цианокобаламин) - основная функция витамина В12 - обеспечение нормального кроветворения. Он благоприятно влияет на жировой обмен в печени, состояние центральной и периферической нервной системы, на обмен веществ (особенно белковый), стимулирует рост, снижает содержание холестерина в крови. Организм использует цианокобаламин для создания молекул ДНК, синтеза аминокислот и переработки жиров и углеводов.

Витамин С (Аскорбиновая кислота, антицинготный витамин, антискорбутный витамин) был открыт в 1927 году ученым Сент-Дьери, выделившим из красного перца, апельсинового и капустного сока кристаллическое вещество с сильными восстанавливающими свойствами. Он назвал его гексуроновой кислотой. А когда в 1932 году были доказаны его противоцинговые свойства, он был назван аскорбиновой кислотой ("против скорбута": "скорбут" в переводе с латыни - цинга). Влияние витамина С на организм очень разностороннее и весьма разнообразное. Он необходим для образования коллагена и соединительной ткани: скрепляет сосуды, костную ткань, кожу, сухожилия, зубы. Витамин С влияет на обмен многих веществ. С помощью аскорбиновой кислоты организм легко справляется со многими токсинами и ядами: соединяясь с витамином С, ядовитые вещества обезвреживаются и выводятся с мочой.

Витамин Н (Биотин, биос 2, биос II) признан одним из самых активных витаминов-катализаторов. Иногда его называют микровитамином, т.к. для нормальной работы организма он необходим в очень малых количествах. Витамин Н участвует в обмене углеводов, белков, жиров. С его помощью организм получает энергию из этих веществ. Он принимает участие в синтезе глюкозы. Биотин необходим для нормальной работы желудка и кишечника, влияет на иммунитет и функции нервной системы, способствует здоровью волос и ногтей.

Витамин РР (Ниацин, ниацинамид, никотинамид, никотиновая кислота) - основными представителями витамина РР являются никотиновая кислота и никотинамид. В животных продуктах ниацин содержится в виде никотинамида, а в растительных - в виде никотиновой кислоты. Витамин РР необходим для выделения энергии из углеводов и жиров, для белкового обмена. Входит в состав ферментов, обеспечивающих клеточное дыхание. Ниацин нормализует работу желудка и поджелудочной железы. Никотиновая кислота благоприятно влияет на нервную и сердечнососудистую системы; поддерживает в здоровом состоянии кожу, слизистую оболочку кишечника и ротовой полости; участвует в обеспечении нормального зрения, улучшает кровоснабжение и снижает повышенное давление.

15. Гормоны: классификация по химической структуре и механизму действия

Гормо́ны - биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в специализированных клетках желёз внутренней секреции, поступающие в кровь и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции.

По химической природе гормоны делятся на следующие группы: 1) пептидные и белковые гормоны, 2) гормоны – производные аминокислот и 3) гормоны стероидной природы. Четвертую группу составляют эйкозаноиды – гормоноподобные вещества, оказывающие местное действие.

Пептидные и белковые гормоны включают от 3 до 250 и более аминокислотных остатков. Это гормоны гипоталамуса и гипофиза (тиролиберин, соматолиберин, соматостатин, гормон роста, кортикотропин, тиреотропин и др.), а также гормоны поджелудочной железы (инсулин, глюкагон). Пептидные и белковые гормоны обычно действуют на внутриклеточные процессы через специфические рецепторы, расположенные на поверхностной мембране клеток-мишеней. Гормоны – производные аминокислот в основном представлены производными аминокислоты тирозина. Это низкомолекулярные соединения адреналин и норадреналин, синтезирующиеся в мозговом веществе надпочечников, и гормоны щитовидной железы (тироксин и его производные). Гормоны 1-й и 2-й групп хорошо растворимы в воде.

Гормоны стероидной природы представлены жирорастворимыми гормонами коркового вещества надпочечников (кортикостероиды), половыми гормонами (эстрогены и андрогены), а также гормональной формой витамина D. Стероидные гормоны растворяются в жирах и легко проникают через клеточные мембраны. Их рецепторы находятся в цитоплазме или ядре клеток-мишеней.

Эйкозаноиды, являющиеся производными полиненасыщенной жирной кислоты (арахидоновой), представлены тремя подклассами соединений: простагландины, тромбоксаны и лейкотриены. Эти нерастворимые в воде и нестабильные соединения оказывают свое действие на клетки, находящиеся вблизи их места синтеза.

По механизму действия гормоны можно разделить на 3 группы:

1) Гормоны, не проникающие в клетку и взаимодействующие с мембранными рецепторами (пептидные, белковые гормоны, адреналин). Сигнал передается внутрь клетки с помощью внутриклеточных посредников (вторичные мессенджеры). Основной конечный эффект – изменение активности ферментов;

2) гормоны, проникающие в клетку (стероидные гормоны, тиреоидные гормоны). Их рецепторы находятся внутри клеток. Основной конечный эффект – изменение количества белков-ферментов через экспрессию генов;

3) гормоны мембранного действия (инсулин, тиреоидные гормоны). Гормон является аллостерическим эффектором транспортных систем мембран. Связывание гормона с мембранным рецептором приводит к изменению проводимости ионных каналов мембраны.

16. Рилизинг-факторы гипоталамуса и гормоны гипофиза.

Рилизинг-факторы — это нейрогормоны человека, которые синтезируются ядрами гипоталамуса. Они направлены на угнетение (статины) или стимулирование (либерины) выработки выделения гормонов гипофиза. Те, в свою очередь, оказывают воздействие на железы внутренней секреции и регулируют выделение соответствующих гормонов ими. Кроме того, рилизинг-гормоны обеспечивают связь эндокринной системы и высших отделов центральной нервной системы. Рилизинг-факторы являются пептидами по своей химической природе . Они секретируются гипоталамусом как ответ на химические или нервные стимулы, их транспортировка в гипофиз обеспечивается с кровью по портальной гипоталамо-гипофизарной системе. На сегодняшний день обнаружено 10 рилизинг-гормонов: 3 ингибирующих секреторную функцию гипофиза, среди них соматостатин, меланостатни, пролактостатин; и 7 стимулирующих: меланолиберин, пролактолиберин, фоллиберин, люлиберин, соматолиберин, тиролиберин и кортиколиберин.

Либерины:

1) Соматолиберин – вступает в переднюю долю гипофиза и стимулирует выработку соматотропина.

2) Кортиколиберин – стим. выработку адренокортикотропного гормона.

3) Пролактолиберин – выработка пролактина.

4) Люлиберин – лютеинизирующий гормон.

5) Фоллиберин – фолликулостимулирующий гормон

6) Меланолиберин – меланоцитостимулирующий гормон

7) Тиролиберин – тириотропный гормон.

Статины:

1) Соматостатин – снижает секрецию соматостатина

2) Пролактостатин

3) Меланостатин.

Гормоны передней доли гипофиза:

1. Соматотропный гормон – стимулирует рост организма, активизирует синтез белка, рост трубчатых костей в длину путем накопления в хрящевой ткани, в костях в период роста организма.

2. Адренокортикотропный гормон – воздействует на кору надпочечников, приводит к развитию и разрастанию клубочковой и сетчатой зоны коры надпочечников, активизирует синтез белка в коре надпочечников и способствуют синтезу гормонов коры надпочечников.

3. Пролактин – регулирует период лактации, способствует процессу образования молока в молочных железах, росту молочных желез, под воздействием этого гормона активизируется синтез белка в альвеолах молочных желез.

4. Липотропный гормон – способствует расщеплению жировой ткани в организме и повышению в крови содержания жирных кислот.

5. Лютеинизирующий гормон – действует взаимосвязано с фолликулостиулирующим гормоном, способствует созреванию граафовых пузырьков в яичниках половозрелых самок, способствует процессу овуляции и образованию желтого тела после овуляции.

6. Фолликулостимулирующий гормон способствует образованию и развитию фолликулов в яичниках, активизирует процессы сперматогенеза в семенниках. Совместно с (5) способствуют выделению половых гормонов половыми железами, андрогенов и эстрогенов.

7. Тириотропный гормон – воздействует на щитовидную желез, способствует ее развитию, разрастанию фолликулов щитовидной железы, активизирует накопление йода в железе, образование гормонов щитовидной железы.

8. Меланоцитостимулирующий гормон – регулирует распределение пигмента меланина в клетках кожи, волосах, этот гормон участвует в регуляции периодов бодрствования и сна.

Гормоны задней доли гипофиза:

1. Антидиуретический гормон воздействует на почки и обеспечивает обратное всасывание воды в почечных канальцах, снижая тем самым образование мочи. Под его воздействием увеличивается тонус кровеносной системы и происходит общее повышение кровяного давления.

2. Окситоцин – воздействует на альвеолы молочных желез, стимулирует их сокращение, стимулируя тем самым процесс молокоотдачи. Способствует сокращению стенок матки, регулируя тем самым процесс родов.

19. Гормоны коры надпочечников и половые стероиды

Надпочечники состоят из коры и мозгового вещества, которые являются независимыми железами. Кора состоит из 3 зон: клубочковая зона, сетчатая зона пучковая зона. Клубочковая зона выделяет минералокортикоиды, а сетчатая и пучковая – глюкокортикоиды. Только сетчатая зона выделяет андрогены и эстрогены

Альдостерон действует на почечные канальца, увеличивает в них обратное всасывание Nа в кровь. Обеспечивает оптимальное содержание Na, Cl и воды в крови. При этом он способствует выведению K, Ca Mg, ионов Н и аммония, т.о. участвует в водно-солевом обмене. Кроме того альдостерон участвует в обеспечении энергией Na-K насосапутем накопления в клетках АТФ и стимуляции окислительного фосфорилирования.

К глюкокортикоидам относятся кортизол и кортикостерон. Они стимулируют распад белков, угнетают их биосинтез, особенно мышечной ткани. Образующиеся в результате распада белков аминокислоты поступают в кровь, откуда захватываются печенью , где они превращаются в другие белки и углеводы. Глюкокортикоиды способствуют распаду жира, в результате чего в крови повышается количество свободных жирных кислот. Действие данных гормонов обеспечивает улучшение снабжения тканей энергетическим материалом, повышение их сопротивляемости вредным воздействиям. При действии неблагоприятных факторов: холода, боли, гипоксии в организме возникает состояние напряжения или стресс. Стрессовые раздражители стимулируют образование и выведение глюкокортикоидов. Тем самым они способствуют повышению устойчивости организма и сохранению жизни индивида. Глюкокортикоиды обладают противовоспалительным действием. Они вызывают снижение проницаемости клеточных и межклеточных мембран.

В женском организме местом синтеза наиболее важных половых стероидов (т.е. эстрогенов, гестагенов и андрогенов) являются яичники и кора надпочечников, а во время беременности - плацента. Принципиальными половыми стероидами для мужского организма являются андрогены, которые синтезируются в яичках и, в небольших количествах, в коре надпочечников. В дополнение к сказанному следует отметить, что поставщиком холестерина, производными которого являются все половые стероиды и гормоны коры надпочечников, является печень.

Андрогены производятся половыми железами (семенниками у мужчин и яичниками у женщин) и корой надпочечников и обладающих свойством в определённых концентрациях вызывать андрогенез, вирилизацию организма — развитие мужских вторичных половых признаков — у обоих полов. Андрогены оказывают сильное анаболическое и анти-катаболическое действие, повышают синтез белков и тормозят их распад. Повышают утилизацию глюкозы клетками. Понижают уровень глюкозы в крови. Увеличивают мышечную массу и силу. Способствуют снижению общего количества подкожного жира и уменьшению жировой массы по отношению к мышечной массе, но могут увеличить отложения жира по мужскому типу (на животе) при одновременном уменьшении отложений жира в типично женских местах (ягодицы и бедра, грудь). Понижают уровень холестерина и липидов в крови, тормозят развитие атеросклероза и сердечно-сосудистых заболеваний. Андрогены вызывают появление или развитие мужских вторичных половых признаков: понижение и огрубление голоса, рост волос на лице и теле по мужскому типу, превращение пушковых волос на лице и теле в терминальные, усиление секреции пота и изменение его запахаПри определённой генетической предрасположенности андрогены могут вызывать облысение головы по мужскому типу.

Эстрогены производятся в основном фолликулярным аппаратом яичников у женщин. В небольших количествах эстрогены производятся также яичками у мужчин и корой надпочечников у обоих полов. Они стимулируют развитие матки, маточных труб, влагалища, стромы и протоков молочных желез, пигментацию в области сосков и половых органов, формирование вторичных половых признаков по женскому типу, рост и закрытие эпифизов длинных трубчатых костей. Способствуют своевременному отторжению эндометрия и регулярным кровотечениям, подавляют лактацию, стимулируют синтез ряда транспортных белков (тироксинсвязывающий глобулин, транскортин, трансферрин, протеин, связывающий половые гормоны), фибриногена. Эстрогены повышают концентрации в крови тироксина, железа, меди. Оказывают антиатеросклеротическое действие, увеличивают содержание ЛПВП, уменьшает ЛПНП и холестерина (уровень триглицеридов возрастает).

Физиологическая функция прогестерона у женщин заключается в основном в обеспечении возможности наступления и затем в поддержании беременности. Прогестерон и его синтетические аналоги — прогестины способствуют образованию нормального секреторного эндометрия у женщин. Вызывают переход слизистой оболочки матки из фазы пролиферации в секреторную фазу, а после оплодотворения способствуют ее переходу в состояние, необходимое для имплантации и развития оплодотворённой яйцеклетки.

20. Гормоны жировой ткани и печени

Гормоны жировой ткани участвуют в энергетическом и других видах обмена.

Лептин — гормон, регулирующий энергетический обмен, подавляет аппетит.

Лептин выделен в 1994 году. Представляет собой белок, состоящий из 167 аминокислот, относится к цитокинам (сигнальным белкам), образуемым жировой тканью. Его механизм действия заключается в передаче в гипоталамус информации о массе тела и жировом обмене. Функциями лептина является подавление аппетита, регуляция менструальной функции у женщин (при критическом снижении уровня лептина прекращаются овуляции и менструации). В физиологических условиях лептин угнетает синтез инсулина, а инсулин, воздействуя на жировую ткань, стимулирует продукцию лептина. В период полового созревания происходит повышение концентрации лептина в крови.

Адипонектин - синтезируется клетками жировой ткани. Белок адипонектин препятствует связыванию лейкоцитов с внутренней поверхностью сосудистой стенки и, таким образом, предотвращает развитие воспаления эндотелия, способствующего возникновению сердечно-сосудистых заболеваний. Адипонектин, циркулирующий в кровотоке в виде крупных комплексов, является основным белком крови, содержащейся в сосудах, протекающих через скопления жировой ткани. Низкий уровень адипонектина характерен для ожирения, диабета и сердечно-сосудистых заболеваний.

Наша печень синтезирует и выделяет, по крайней мере, четыре гормона, регулирующие важнейшие жизненные функций человеческого организма, как женского так и мужского: инсулиноподобный фактор роста-1, ангиотензин, тромбопоэтин и гепцидин. Все они называются гормонами печени.

Инсулиноподобный фактор роста, или, как его еще называют – соматомедин, является гормоном печени, схожим по своей молекулярной структуре с инсулином, отсюда и его название. Он вырабатывается печенью в ответ на стимуляцию со стороны гормонов роста, регулярно перемещается по организму вместе с кровотоком, чтобы стимулировать рост клеток в тканях по всему телу. Гормон печени ИФП-1 играет важную роль в росте организма в период его развития в подростковом возрасте, а также продолжает оказывать существенное влияние на процессы развития в зрелом возрасте.

Ангиотензин - мощный по своему действию гормон печени, который заставляет мышцы, окружающие кровеносные сосуды, сжиматься, тем самым сужая и сжимая кровеносные сосуды, приводя к высокому кровяному давлению. Гормон печени ангиотензин -превращающийся фермент. Чтобы снизить давление и расширить сосуды, мы принимаем ингибиторные лекарства, они же уменьшают производство ангиотензина и, как следствие, способствуют расширению кровеносных сосудов, снижению артериального давления. Как результат, сердце в состоянии эффективно осуществлять циркуляцию крови.

Тромбопоэтин - это гликопротеиновый гормон, вырабатываемый главным образом в печени и почках, регулирующий производство тромбоцитов в костном мозге. Он стимулирует производство и дифференциацию мегакариоцитов, клеток костного мозга, которые разделяются на большое количество тромбоцитов.

Гепцидин - это пептидный гормон, который также вырабатывается печенью. Он был открыт в 2000 году, и считается главным регулятором гомеостаза железа в организме человека. Функции гепцидина в увеличении запасов железа в клетках. Это не дает организму терять слишком много железа.

21. Понятие о телергонах

Телергоны – вещества, образуемые железами внешней секреции животных, оказывающие специфическое воздействие на другие организмы. Среди них представлены соединения, привлекающие особей противоположного пола, а также стимулирующие процессы размножения и предопределяющие половое поведение (половые феромоны), вещества тревоги и испуга, следовые вещества, вещества ублажения и др. Часто в количестве лишь нескольких молекул они воздействуют на рецепторные клетки. Телергоны могут действовать на организм 2 путями – через посредство хеморецепторных клеток или проникая в соответствующие ткани и органы. Половые аттрактанты уже широко используются для борьбы с насекомыми-вредителями.

24. Механизм действия ферментов, образование ES-, ES’- и EP-комплексов. Механизм действия ацетилхолинэстеразы.

Механизм действия однокомпонентных и двухкомпонентных ферментов однотипен, так как активные центры в их молекулах функционально сходны между собой. Ведущую роль в механизме ферментативного катализа играет образование фермент-субстратных комплексов, на существование которых впервые указал Д. Браун (1902). На первой фазе ферментативного катализа между субстратом (или субстратами) и ферментом возникает соединение, в котором реагенты связаны друг с другом ионной, ковалентной или иного типа связью. Затем (вторая фаза) субстрат под действием присоединенного к нему фермента претерпевает изменение, делающее его более доступным для соответствующей химической реакции. На третьей фазе происходит сама химическая реакция и, наконец, образовавшиеся продукты реакции на четвертой фазе освобождаются из фермент-продуктного комплекса. Если обозначить фермент Е, субстрат S, активированный субстрат S' и продукт реакции Р, то указанная последовательность процессов выразится нижеследующей схемой: E+S<=>ES<=>ES'<=>EP<=>E+P. Эта схема была первоначально разработана В. Генри (1903), затем Л. Михаэлисом и М. Ментен (1913) и подтверждена прямым выделением ES-,ES' и ЕР-комплексов.

Одним из примеров ферментативного катализа, осуществляемого в соответствии с приведенной схемой, может служить реакция гидролиза ацетилхолина. Это соединение служит медиатором (посредником) при передаче нервных импульсов: в ответ на выделение окончанием нервного волокна ацетилхолина следует ответная реакция возбуждения нервной клетки. Чтобы этот процесс протекал непрерывно, после каждого акта передачи нервного импульса вызвавшая возбуждение порция ацетилхолина (1-2 мкг) должна быть полностью разрушена. Это достигается посредством реакции гидролиза ацетилхолина при участии фермента ацетилхолинэстеразы.

Ацетилхолинэстераза-одпокомпонентный фермент. В ее активном центре сосредоточены по меньшей мере 4 аминокислотных радикала - глу, сер, гис и тир. Сначала между ферментом (ацетилхолинэстераза) и субстратом (ацетилхолин) возникает фермент-субстратный комплекс. Он образуется за счет электростатического взаимодействия между отрицательно заряженной ионизированной СООН-группой радикала глу и положительно заряженным атомом N молекулы ацетилхолина. После образования фермент-субстратного комплекса вступают в действие остальные аминокислотные радикалы активного центра ацетилхолинэстеразы. В первую очередь замыкается связь между углеродом поляризованной CO-группы ацетильного радикала холина и кислородом ОН-группы остатка сер. Затем возникает водородная связь между кислородом сложноэфирной связи в молекуле ацетилхолина и ОН-группой радикала тир.

Расположение молекулы ацетилхолина и радикалов сер и тир в активном центре фермента таково, что образование упомянутых связей ослабляет связь между СО-группой и атомом кислорода сложноэфирной связи в молекуле ацетилхолина. В результате для ее разрыва требуется гораздо меньше энергии, т. е. энергетический барьер оказывается сниженным вследствие активации молекулы ацетилхолина (ЕS'-комплекс). Поэтому под влиянием радикала гис, оттягивающего на себя протон от ОН-группы сер, упрочняется сложноэфирная связь между радикалом сер и ацетильной группой с одновременным разрывом сложноэфирной связи в молекуле ацетилхолина и переходом протона от радикала тир к остатку холина. Последний высвобождается из активного центра, а его место занимает молекула воды. Она образует связь с карбонильным кислородом ацетильной группы и кислородом тир, после чего протон от остатка гис возвращается к кислороду ОН-группы сер, а протон воды-к радикалу тир. Одновременно выделяется второй продукт реакции-уксусная кислота и регенерируется свободный активный центр ацетилхолинэстеразы, готовый к новому акту катализа.

В процессе образования фермент-субстратного комплекса и на дальнейших фазах ферментативного катализа происходят неоднократные изменения третичной структуры фермента, приводящие к последовательному сближению с субстратом и ориентации в пространстве тех активных групп, которые взаимодействуют друг с другом на различных этапах преобразования субстрата. Изменение третичной структуры белка невозможно без участия всей или почти всей полипептидной цепи, образующей белковую молекулу. Следовательно, в каталитическом акте принимает участие по существу вся или почти вся молекула фермента. Отдельные этапы взаимодействия фермента и субстрата при ферментативном катализе все более проясняются. В частности, установлено, что за стадией адсорбции субстрата в активном центре фермента наступает «узнавание» субстратным центром фермента той части молекулы субстрата, которая непосредственно не подвергается химическому преобразованию. За счет возникающих при этом многоточечных контактов, реализующихся в виде сил слабого взаимодействия (гидрофобные, водородные и др.), связь субстрата с ферментом упрочняется. Одновременно с этим в активном центре фермента «стабилизируется» та часть субстрата, которая в дальнейшем участвует в химической реакции,- она фиксируется в напряженной конфигурации, близкой к переходному состоянию субстрата при превращении его в продукт. В результате реагирующий фрагмент молекулы субстрата и каталитические группы фермента образуют продуктивный комплекс, где уже частично осуществлены электронно-конформационные переходы, необходимые для протекания собственно химической стадии ферментативного процесса. Это приводит к понижению энергии активации, необходимой для осуществления химической реакции, благодаря энтропийному эффекту вследствие иммобилизации, закрепления, жесткой ориентации субстрата в активном центре фермента. Таким образом, каждое звено в многостадийной химической реакции, ускоряемой ферментом, создает почти оптимальные условия для прохождения ее следующего этапа. Как следствие, химическая реакция при ферментативном катализе идет в десятки, сотни тысяч раз быстрее.

Рассмотрение тонкого механизма ферментативного катализа позволяет понять специфику действия ферментов, отличающую их от катализаторов неорганического происхождения. Уникальная структура и взаимодействие каталитического, субстратного и аллостерического центров фермента обеспечивает кооперативное осуществление многостадийных процессов. Именно упорядоченность реакций в пространстве и времени, их кооперативный характер отличают действие биокатализаторов, обеспечивая высокую специфичность и скорость процесса в целом.

25. Кинетика ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен, линеаризация Лайнуивера-Берка.

Кинетика ферментативной реакции (т. е. зависимость скорости реакции от ее условий) определяется в первую очередь свойствами катализатора, вследствие чего она значительно сложнее, чем кинетика некаталитических реакций.

В 1913 г. Михаэлис и Ментен опубликовали свою теорию общего механизма ферментативных реакций.

Они ввели понятие максимальной скорости и показали, что кривая насыщения (т.е. зависимость скорости реакции от концентрации субстрата) является равнобочной гиперболой. Они доказали, что максимально наблюдаемая скорость есть одна из асимптот к кривой, а отрезок, отсекаемый на оси абсцисс (в области ее отрицательных значений) второй асимптотой, т.е. константа в уравнении скорости, равен по абсолютному значению концентрации субстрата, необходимой для достижения половины максимальной скорости.

Михаэлис и Ментен предположили, что скорость реакции определяется распадом комплекса ES, т.е. константой k2. Это возможно только при условии, что k2 - наименьшая из констант скорости. В этом случае равновесие между фермент-субстратным комплексом, свободным ферментом и субстратом устанавливается быстро по сравнению со скоростью реакции (быстро устанавливающееся равновесие).

Начальную скорость реакции можно выразить следующей формулой:

v = k2 [ES]

Поскольку константа диссоциации фермент-субстратного комплекса равна

KS = [E] [S] / [ES] = k -1/k1

то концентрацию свободного фермента можно выразить как

[E] =KS [ES] / [S]

Общая концентрация фермента в реакционной смеси определяется формулой

[Е]т = [Е] + [ЕS] = KS [ЕS] / [S] + [ЕS]

Реакция достигает максимальной скорости, когда концентрация субстрата достаточно высока, чтобы все молекулы фермента находились в виде комплекса ЕS (бесконечно большой избыток субстрата). Отношение начальной скорости к теоретически возможной максимальной скорости равно отношению [ЕS] к [Е]т:

v / Vmax= [ES] / [E]т= [ES] / (KS [ES] / [S] + [ES]) = 1 / (KS+[S] +1)

Это классическое уравнение Михаэлиса и Ментен, которое со времени его публикации в 1913 г. стало фундаментальным принципом всех кинетических исследований ферментов в течение десятилетий и с некоторыми ограничениями осталось таким до сих пор.

27. Специфичность действия ферментов (абсолютная специфичность, стереоспецифичность, групповая, относительная специфичность).

Наиболее характерная черта, отличающая ферменты от других катализаторов — высокая специфичность их действия. Активный центр ферментов, как и других белков, образован боковыми группами аминокислотных остатков пептидной цепи. Строение активных центров ферментов, катализирующих разные реакции, различно. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата, вследствие чего данный фермент из множества веществ, имеющихся в живой клетке, присоединяет только свой субстрат. Эту особенность называют субстратной специфичностью фермента.

Одни ферменты обладают абсолютной специфичностью, т. е. каталитически ускоряют одну-единственную реакцию. Примером такого фермента может служить уреаза. Другие ферменты осуществляют катализ реакций определенного типа независимо от того, какие конкретные вещества в них взаимодействуют или распадаются. Основным признаком для ферментов этого типа является характер разрушаемой или создаваемой связи. Такие ферменты характеризуются, следовательно групповой специфичностью. Некоторые ферменты отличаются стереохимической специфичностью, т. е. действуют только на один из пространственных изомеров. Примером могут служить ферменты, расщепляющие альфа- и бета-метилглюкозиды.

29. Кислотно-основной катализ. Ковалентный катализ

Выделяют 2 основных механизма ферментативного катализа: кислотно-основной катализ и ковалентный катализ. 1. Кислотно-основной катализ

Концепция кислотно-основного катализа объясняет ферментативную активность участием в химической реакции кислотных групп (доноры протонов) и/или основных групп (акцепторы протонов). Кислотно-основной катализ - часто встречающееся явление. Аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, имеют функциональные группы, проявляющие свойства как кислот, так и оснований.

К аминокислотам, участвующим в кислотно-основном катализе, в первую очередь относят Цис, Тир, Сер, Лиз, Глу, Асп и Гис. Радикалы этих аминокислот в протонированной форме - кислоты (доноры протона), в депротонированной - основания (акцепторы протона). Благодаря этому свойству функциональных групп активного центра ферменты становятся уникальными биологическими катализаторами, в отличие от небиологических катализаторов, способных проявлять либо кислотные, либо основные свойства.

Примером кислотно-основного катализа, в котором кофакторами являются ионы Zn2+, а в качестве кофермента используется молекула NAD+, можно привести фермент алкогольдегидрогеназу печени, катализирующую реакцию окисления спирта.

Ковалентный катализ основан на атаке нуклеофильных (отрицательно заряженных) или электрофильных (положительно заряженных) групп активного центра фермента молекулами субстрата с формированием ковалентной связи между субстратом и коферментом или функциональной группой аминокислотного остатка (как правило, одной) активного центра фермента.

Действие сериновых протеаз, таких как трипсин, химотрипсин и тромбин, - пример механизма ковалентного катализа, когда ковалентная связь образуется между субстратом и аминокислотным остатком серина активного центра фермента. Термин "сериновые протеазы" связан с тем, что аминокислотный остаток серина входит в состав активного центра всех этих ферментов и участвует непосредственно в катализе.

35. Изоферменты

Ферменты, катализирующие одну и ту же химическую реакцию, но отличающиеся по первичной структуре белка, называют изоферментами, или изоэнзимами. Они катализируют один и тот же тип реакции с принципиально одинаковым механизмом, но отличаются друг от друга кинетическими параметрами, условиями активации, особенностями связи апофермента и кофермента. Природа появления изоферментов разнообразна, но чаще всего обусловлена различиями в структуре генов, кодирующих эти изоферменты. Следовательно, изоферменты различаются по первичной структуре белковой молекулы и, соответственно, по физико-химическим свойствам. На различиях в физико-химических свойствах основаны методы определения изоферментов. По своей структуре изоферменты в основном являются олигомерными белками. Причём та или иная ткань преимущественно синтезирует определённые виды протомеров. В результате определённой комбинации этих протомеров формируются ферменты с различной структурой - изомерные формы. Обнаружение определённых изоферментных форм ферментов позволяет использовать их для диагностики заболеваний.

Примером фермента, имеющего изоферменты, является гексокиназа, имеющая четыре изотипа, обозначаемых римскими цифрами от I до IV. При этом один из изотипов гексокиназы, а именно гексокиназа IV, экспрессируется почти исключительно в печени и обладает особыми физиологическими свойствами, в частности её активность не угнетается продуктом её реакции глюкозо-6-фосфатом.

Ещё одним примером фермента, имеющего изоферменты, является амилаза — панкреатическая амилаза отличается по аминокислотной последовательности и свойствам от амилазы слюнных желёз, кишечника и других органов. Это послужило основой для разработки и применения более надёжного метода диагностики острого панкреатита путём определения не общей амилазы плазмы крови, а именно панкреатической изоамилазы.

36. Свойства ферментов: термолабильность. Зависимость активности от значения рН среды, специфичность. Активаторы и ингибиторы ферментов.

Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы характеризуются рядом специфических качеств, тоже вытекающих из их белковой природы. Эти качества отличают ферменты от катализаторов обычного типа. Сюда относятся термолабильность ферментов, зависимость их действия от значения рН среды, специфичность и, наконец, подверженность влиянию активаторов и ингибиторов.

Термолабильность ферментов объясняется тем, что температура, с одной стороны, воздействует на белковую часть фермента, приводя при слишком высоких значениях к денатурации белка и снижению каталитической функции, а с другой стороны, оказывает влияние на скорость реакции образования фермент-субстратного комплекса и на все последующие этапы преобразования субстрата, что ведет к усилению катализа. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум для различных ферментов неодинаков. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 40 и 500 С, а растительного - между 50 и 6000С. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например у папаина (фермент растительного происхождения, ускоряющий гидролиз белка) оптимум находится при 8000С. В то же время у каталазы оптимальная температура действия находится между О и 100 0С, а при более высоких температурах происходит энергичное окисление фермента и его инактивация.

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. Большинство ферментов имеет максимальную активность в зоне рН поблизости от нейтральной точки. В резко кислой или резко щелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты. Переход к большей или меньшей (по сравнению с оптимальной) концентрации водородных ионов сопровождается более или менее равномерным падением активности фермента. Влияние концентрации водородных ионов на каталитическую активность ферментов состоит в воздействии ее на активный центр. При разных значениях рН в реакционной среде активный центр может быть слабее или сильнее ионизирован, больше или меньше экранирован соседними с ним фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента и т. п. Кроме того, рН среды влияет на степень ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и продуктов реакции, оказывает большое влияние на состояние фермента, определяя соотношение в нем катионных и анионных центров, что сказывается на третичной структуре белковой молекулы. Последнее обстоятельство заслуживает особого внимания, так как определенная третичная структура белка-фермента необходима для образования фермент-субстратного комплекса.

Специфичность – это свойство было открыто еще в прошлом столетии, когда было сделано наблюдение, что очень близкие по структуре вещества – пространственные изомеры (альфа- и бета-метилглюкозиды) расщепляются по эфирной связи двумя совершенно разными ферментами. Таким образом, ферменты могут различать химические соединения, отличающиеся друг от друга очень незначительными деталями строения, такими, например, как пространственное расположение метоксильного радикала и атома водорода при 1-м углеродном атоме молекулы метилглюкозида.

Влияние на ферменты активаторов и ингибиторов впервые было обнаружено при изучении активаторов (стимулин) и ингибиторов (антиферменты) А. Я. Данилевским еще в прошлом столетии. К числу агентов, повышающих активность ферментов, относятся ионы многих металлов и некоторые анионы. Особенно часто активаторами ферментов бывают Mg2+, Мn2 +, Zn2 +, К + и Со2 +, а из анионов-Сl-. В одних случаях ионы металлов входят в состав простетической группы фермента, в других - облегчают образование фермент-субстратного комплекса, в третьих-способствуют присоединению кофермента к апоферменту, в четвертых-обеспечивают становление четвертичной структуры фермента или же действуют иными путями.

Ингибиторы тормозят действие ферментов. Механизм ингибирующего действия разнообразен, но в большинстве сводится к двум типам торможения: необратимому и обратимому. При необратимом торможении ингибитор, обладающий структурным сходством (изостерией) с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат. Обратимое ннгибирование действия ферментов может быть конкурентным и неконкурентным. Классическим примером конкурентного ингибирования ферментативной активности является торможение действия дегидрогеназы янтарной кислоты дикарбоновыми кислотами (малоновая, глутаровая), близкими по структуре к янтарной кислоте: между ними идет конкуренция за связывание в активном центре фермента. При иеконкурентном торможении ингибитор взаимодействует с апоферментом или простетической группой, вследствие чего фермент теряет активность. Одним из вариантов такого торможения может служить блокирование ферментов тяжелыми металлами (ртуть, мышьяк, свинец и др., которые присоединяются к сульфгидрильным группам полипептидной цепи), солями синильной кислоты, оксидом углерода (II) и др. (присоединяются к железосодержащим простетическим группам и т. п.).

37. Механизм действия ферментов.

Механизм действия однокомпонентных и двухкомпонентных ферментов однотипен, так как активные центры в их молекулах функционально сходны между собой. Ведущую роль в механизме ферментативного катализа играет образование фермент-субстратных комплексов, на существование которых впервые указал Д. Браун (1902). На первой фазе ферментативного катализа между субстратом (или субстратами) и ферментом возникает соединение, в котором реагенты связаны друг с другом ионной, ковалентной или иного типа связью. Затем (вторая фаза) субстрат под действием присоединенного к нему фермента претерпевает изменение, делающее его более доступным для соответствующей химической реакции. На третьей фазе происходит сама химическая реакция и, наконец, образовавшиеся продукты реакции на четвертой фазе освобождаются из фермент-продуктного комплекса. Если обозначить фермент Е, субстрат S, активированный субстрат S' и продукт реакции Р, то указанная последовательность процессов выразится нижеследующей схемой: E+S<=>ES<=>ES'<=>EP<=>E+P. Эта схема была первоначально разработана В. Генри (1903), затем Л. Михаэлисом и М. Ментен (1913) и подтверждена прямым выделением ES-,ES' и ЕР-комплексов.

39. Гидролазы.

Гидролазы - это ферменты, широко распространенные в природе, встречаются в клетках и пищеварительных соках. Почти все гидролазы ЖКТ однокомпонентные ферменты. Участвуют в процессах обмена белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и др. биологически важных соединений. По типу гидролизуемой связи класс Г. делят на ряд подклассов: действующие на сложноэфирные связи (например, липаза); на гликозильные связи (например, амилаза); на пептидные связи (например, пепсин); на кислотноангидридные связи (например, аденозинтрифосфатаза) и т.д. В клетках гидролазы находятся в особых органеллах – лизосомах и потому называются лизосомальными ферментами. Лизосомальные ферменты выполняют защитную роль: под их влиянием чужеродные вещества, поступившие в клетку, а затем в лизосомы, подвергаются расщеплению. Расщепляются также вещества, неиспользованные организмом, поэтому лизосомальные ферменты называют клеточными санитарами. При инфекционных заболеваниях, при воспалительных процессах, уменьшении рН, гипоксии мембраны лизосом становятся проницаемыми и гидролазы могут выходить из них, начиная переваривать собственную клетку, вызывая аутолиз клетки. Поэтому лизосомы называют клеточными самоубийцами.

43. Классификация аминокислот по химической структуре, физическим свойствам, биологическому значению. Физико-химические свойства аминокислот.

Аминокислоты – это органические соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу (–NH2) и карбоксильную группу (–СООН).

Классификация аминокислот:

1. По биологическому и физиологическому значению аминокислоты разделяют на 3 группы:

• незаменимые - не могут синтезироваться организмом из других соединений, поэтому должны поступать с пищей. Это: валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан;

• полузаменимые - образуются в недостаточном количестве в организме, поэтому частично должны поступать с пищей. Это: аргинин, тирозин, гистидин;

• заменимые - синтезируются в организме из незаменимых или других соединений. Это остальные.

2. По химическому строению аминокислоты можно разделить на

• Алифатические (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, аспарагин, цистеин, аргинин и т.д.)

• ароматические (фенилаланин, тирозин)

• гетероциклические (триптофан, гистидин)

В составе алифатических радикалов могут находиться функциональные группы, придающие им специфические свойства: карбоксильная (-СООН), амино (-NH2), амидная (-CO-NH2), гуанидиновая группы, серу.

Физические свойства аминокислот:

1. Растворимы в воде (лучше растворимы положительно- и отрицательно заряженные аминокислоты, затем гидрофильные, хуже – гидрофобные).

2. Имеют высокую точку плавления (обусловлено тем, что в кристаллическом виде находятся в виде биполярных ионов).

3. Обладают оптической активностью, которая обусловлена наличием асимметрического атома углерода (за исключением гли). В связи с этим аминокислоты:

• существуют в виде L- и D-стереоизомеров, но в состав белков высших животных входят в основном аминокислоты L-ряда; количество стереоизомеров зависит от количества асимметрических атомов углерода и рассчитывается по формуле 2n, где n – кол-во асимметрических атомов С;

• способны вращать плоскость поляризованного света вправо или влево; величина удельного вращения у разных аминокислот варьирует от 10 до 30о.

4. Амфотерные свойства (аминокислоты, кроме гли, при физиологических значениях рН и в кристаллическом виде находятся в виде биполярных ионов). Величина рН, при которой суммарный заряд аминокислоты равен 0, называется изоэлектрической точкой. Для моноаминомонокарбоновых аминокислот она лежит в интервале 5,5-6,3, диаминомоно-карбоновых – больше 7, для дикарбоновых меньше 7.

Химические свойства:

Аминокислоты проявляют свойства оснований за счет аминогруппы и свойства кислот за счет карбоксильной группы, т.е. являются амфотерными соединениями. Подобно аминам, они реагируют с кислотами с образованием солей аммония:

H2N–CH2–COOH + HCl ® Cl- [H3N–CH2–COOH]+

Как карбоновые кислоты они образуют функциональные производные:

а) соли

H2N–CH2–COOH + NaOH ® H2N–CH2–COO- Na+ + H2O

б) сложные эфиры

H2N-CH2-COOH+C2H5OH=H2N-CH2-COOC2H5+H2O

Кроме того, возможно взаимодействие амино- и карбоксильной групп как внутри одной молекулы (внутримолекулярная реакция), так и принадлежащих разным молекулам (межмолекулярная реакция).

Межмолекулярное взаимодействие a-аминокислот приводит к образованию пептидов. При взаимодействии двух a-аминокислот образуется дипептид.

Межмолекулярное взаимодействие трех a-аминокислот приводит к образованию трипептида и т.д.

Фрагменты молекул аминокислот, образующие пептидную цепь, называются аминокислотными остатками, а связь CO–NH - пептидной связью.

44.Понятие о заменимых и незаменимых аминокислотах. Биологические причины незаменимости аминокислот.

Из 18 постоянно встречающихся в белках аминокислот в животном организме синтезируется в среднем только половина их, а остальные - не синтезируются. Первые (синтезируемые) называются заменимыми аминокислотами, вторые (несинтезируемые) - незаменимыми. В большинстве случаев к незаменимым аминокислотам относятся валин, лейцин, изолейцин, тpеонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан. Любопытно, что у заменимых аминокислот в большинстве случаев степень окисления атомов углерода отрицательна, а у незаменимых - всегда положительна.

Если в корме животных недостаточно содержание одной или нескольких незаменимых аминокислот, то нормальное развитие животного нарушается, так как биосинтез белка у него идет на низком уровне. Как правило, растительные белки содержат мало лизина, метионина и триптофана. Дефицит этих аминокислот в корме сельскохозяйственных животных встречается наиболее часто. Рационы их неполноценны также по количеству треонина. Введение в рационы недостающих незаменимых аминокислот позволяет нормализовать рост организма, увеличивает привес на каждую израсходованную кормовую единицу, улучшает использование белков основной диеты. Вполне понятно, что в описанных ситуациях речь идет о незаменимых аминокислотах L-ряда, поскольку они необходимы для синтеза белка. Однако L-аминокислоты очень трудно создать путем химического синтеза, при котором получаются рацематы аминокислот, нуждающиеся в разделении на оптические антиподы. Поэтому основная масса аминокислот для нужд животноводства производится путем микробиологического синтеза, т. е. использования определенных микроорганизмов - продуцентов аминокислот, которые выделяют те или иные L-аминокислоты прямо в культуральную жидкость в количестве нескольких граммов на 1 л. Ряд аминокислот получают также при помощи иммобилизованных бактериальных клеток и ферментов. Лишь метионин синтезируют заводским путем в виде рацемата, который столь же хорошо используется организмом, как и L-метионин.

Проблема незаменимых аминокислот актуальна и в питании человека, которому необходимо ежедневно получать с пищей 1 г L-триптофана, 2-3 г L-треонина, по 2-4 г L-лейцина, L-метионина и L-фенилаланина, 3-4 г L-изолейцина и 3-5 г L-лизина.

45. Гликогенные аминокислоты.

Гликогенные аминокислоты – это аминокислоты, которые могут быть субстратами для синтеза глюкозы, т.к. могут превращаться в пируват, оксалоацетат, фосфоенол–пируват - это соединения–предшественники глюкозы при глюконеогенезе. К таким аминокислотам относятся все протеиногенные аминокислоты за исключением Лей, Лиз.

46. Внутриклеточный обмен аминокислот (дезаминирование, переаминирование, декарбоксилирование).

Общие пути превращения аминокислот включают реакции дезаминирования, трансаминирования, декарбоксилирования, биосинтеза и рацемизации. Реакции рацемизации характерны только для микроорганизмов, физиологическая роль которой заключается в синтезе D-изомеров аминокислот для построения клеточной оболочки.

Трансаминирование аминокислот - основной путь дезаминирования аминокислот, который происходит без образования свободного NH3. Это обратимый процесс переноса NH2–группы с аминокислоты на –кетокислоту. Процесс открыли А.Е. Браунштейн и М.Б. Крицман (1937). В трансаминировании могут принимать участие все аминокислоты, кроме треонина, лизина, пролина и гидроксипролина. Ферменты, которые катализируют реакции этого типа, называются аминотрансферазами (трансаминаза–ми). В организме человека функционируют аминотрансферазы L–аминокислот. Акцептором аминогруппы в реакции являются альфа-кетокислоты – пируват, оксалоацетат, альфа-кето–глутарат. Наиболее распространенные аминотрансферазы – АлАТ (аланинаминотрансфераза), АсАТ (аспартатамино–трансфераза), тирозинаминотрансфераза. Трансаминирование активно протекает в печени. Это позволяет регулировать концентрацию любых амино–кислот в крови, в том числе и поступивших с пищей (за исключением тре, лиз, про). Благодаря этому оптимальная смесь аминокислот переносится с кровью во все органы.

С трансаминированием тесно связан процесс окислительного дезаминирования, в результате которого происходит отщепление NH2 -группы с образованием NH3, Н2О и альфа-кетокислоты. Дезаминирование аминокислот наиболее активно происходит в печени и почках. Процесс катализируют ферменты оксидазы, которые являются флавопротеинами. Существуют оксидазы L- и D-аминокислот. Оксидазы L–аминокислот ФМН–зависимые, D-аминокислот ФАД–зависимые.

Большинство аминокислот дезаминируются путем непрямого дезаминирования – это процесс сопряжения 2 реакций:

1)трансаминирование с образованием глутамата;

2)глутаматдегидрогеназная реакция.

В этом случае биологический смысл трансаминирования (1) состоит в том, чтобы собрать аминогруппы всех распадающихся аминокислот в виде аминокислоты одного вида - глутамата. Далее глутаминовая кислота транспортируется в митохондрии, где подвергается окислительному дезаминированию под действием глутаматдегидрогеназы (2).

Декарбоксилирование - это процесс отщепления карбоксильной группы, которая находится в альфа-положении аминокислоты, с образованием аминов и СО2. В результате декарбоксилирования аминокислот образуются:

1) биогенные амины (гистамин, дофамин, тирамин, гамма–аминомасляная кислота - ГАМК и др).:

2) продукты «гниения белков в кишечнике», которые являются результатом декарбоксилирование

аминокислот под действием микрофлоры кишечника. Из аминокислот образуются токсические продукты

48. Пути обезвреживания аммиака в организме (синтез амидов, пуриновых оснований, аммониогенез, креатинина, орнитиновый синтез мочевины).

Аммиак является ядовитым веществом для живых клеток. Основной путь обезвреживания аммиака в организме связан с синтезом мочевины. Теория синтеза мочевины окончательно была сформулирована Кребсом. Однако М. В. Ненцкий и И. П. Павлов впервые обратили внимание на важнейшую роль печени в этом процессе. Сейчас доказано, что синтез мочевины в основном происходит митохондриях клеток печени в результате кругового процесса, требующего небольшого количества орнитина, получившего название орнитинового цикла.

• На первом этапе синтезируется макроэргическое соединение карбамилфосфат – это метаболически активная форма аммиака, используемая в качестве исходного продукта для синтеза ряда других азотистых соединений.

• На втором этапе цикла мочевинообразования происходит конденсация карбамилфосфата и орнитина с образованием цитруллина; реакцию катализирует орнитинкарбамилтрансфераза.

• На следующей стадии цитруллин превращается в аргинин в результате двух последовательно протекающих реакций. Первая из них, энергозависимая, сводится к конденсации цитруллина и аспаргиновой кислоты с образованием аргининосукцината (эту реакцию катализирует аргининосукцинат-синтетаза). Аргининсукцинат распадается во второй реакции на аргинин и фумарат поддействием аргининосукцинат-лиазы.

• На последнем этапе аргинин расщепляется на мочевину и орнитин под действием аргиназы.

Немаловажное значение в нейтрализации аммиака отводится образованию амидов - прежде всего, глютамина из глютаминовой кислоты, а также аспарагина из аспарагиновой кислоты. Синтез амидов сопряжен с распадом АТФ. По мере образования, аммиак во всех тканях связывается с глутаминовой кислотой с образованием глутамина. Это временное обезвреживание аммиака. С током крови глутамин поступает в печень, где распадается опять на глутаминовую кислоту и аммиак. Глутаминовая кислота с кровью снова поступает в органы для обезвреживания новых порций аммиака. Освободившийся аммиак, а также углекислый газ используются в печени для синтеза мочевины.

Восстановительное аминирование альфа–кетоглутарата: Для этого процесса необходимы значительные концентрации альфа–КГ. Для того чтобы не было перерасхода альфа–КГ и работа ЦЛК не была нарушена, альфа–КГ пополняется за счет превращения ПВК - ОА -альфа–КГ .

NH3 + альфа–КГ + НАДН.Н+ = Глу + НАД + Н2О.

Фермент – глутаматдегидрогеназа

Образование аммонийных солей в почках: Глн и асн с током крови попадают в почки, где подвергаются гидролизу с помощью специальных ферментов – глутаминазы и аспарагиназы, которые есть и в печени:

Асн + Н2О = Асп + NH3.

Глн + Н2О = Глу + NH3.

Освободившийся в канальцах почек NH3 нейтрализуется с образованием солей аммония, которые выводятся с мочей:

NH3 + Н++ Сl- = NH4Cl.

55. Вторичные структуры белков, связи их стабилизирующие. Связь первичной и вторичной структур белковой молекулы. Степень спирализации. Бетта-структура белковой молекулы. Силы, удерживающие полипептидную цепь в альфа- и бетта-конформации. Факторы, нарушающие альфа-спирализацию.

Вторичная структура - это конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами NH и СО.

По конфигурации она бывает в виде спирали и складчатой структуры. Основу альфа-спирали составляет пептидная цепь, а радикалы аминокислот направлены кнаружи, располагаясь по спирали. Внешне - спираль похожа на слегка растянутую спираль электроплитки. Такая форма характерна для белков, имеющих одну полипептидную цепь (альбуминов, глобулинов и др.).

Складчатая бетта-структура представляет собой плоскую. В этом случае две или более линейные полипептидные цепи, расположенные параллельно или, чаще, антипараллельно, прочно связываются межцепочечными водородными связями между NH-и СО-группами соседних цепей, образуя структуру типа складчатого слоя. Большинство белков содержит как альфа-спирали, так и бетта-структуры.

Степень спирализации полипептидных цепей отличается у разных белков: в гемоглобине, например, 3/4 полипептидных цепей находится в спиральном состоянии, а 1/4 – в растянутом. У рибонуклеазы только 1/5 часть полипептидной цепи спиральна, а остальные 4/5 линейны. Молекулы белков, построенные из полностью спирализованных и полностью линейных полипептидных цепей, встречаются редко.

Имеются разновидности β-структур. Ограниченные слоистые участки, образуемые одной полипептидной цепью белка, называют кросс-β-формой (короткая β-структура). Водородные связи в кросс-β-форме образуются между пептидными группами петель полипептидной цепи. Другой тип — полная β-структура — характерен для всей полипептидной цепочки, которая имеет вытянутую форму и удерживается межпептидными водородными связями между смежными параллельными полипептидными цепями. Эта структура напоминает меха аккордеона. Причем возможны варианты β-структур: они могут быть образованы параллельными цепями (N-концы полипептидных цепей направлены в одну и ту же сторону) и антипараллельными (N-концы направлены в разные стороны). Боковые радикалы одного слоя помещаются между боковыми радикалами другого слоя.

Альфаспираль стабилизируется (т.е. удерживается) с помощью большого количества водородных связей, которые образуются между атомами водорода и атомами более электоотрицательного кислорода - атомов, входящих в состав пептидных групп. Это означает, что группа >С=О одной пептидной связи образует водородную связь с группой -N-Н другой пептидной связи, отстающей от первой на четыре аминокислотных остатка. Водородные связи между >С=О и - N-H направлены параллельно оси спирали. Водородные связи как бы сшивают спираль, удерживая полипептидную цепь в закрученном состоянии.

Альфа-спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина. Расположенные близко друг к другу остатки аспарагина, серина, треонина и лейцина могут стерически мешать образованию спирали, остатки пролина вызывает изгиб цепи и также нарушает α-спирали.

56. Третичная и четвертичная структуры белка. Типы связей, обеспечивающих поддержание третичной структуры. Гидрофобные зоны. Домены. Примеры белков с третичной и четвертичной структурой.

Третичная структура белка - это пространственная конфигурация полипептидной молекулы, которая образована за счет слабых сил (ионных, водородных, Ван-дер-Ваальсовых, гидрофобных) между атомами радикалов аминокислот. Как правило белки образуют глобулу (шарообразную третичную структуру), реже встречаются фибриллярные белки (образуют нити, напр., коллаген и эластин).

Четвертичную структуру могут образовывать не все белки. Такие белки называются сложными (или олигомерными). Особенностью их является то, что они состоят из нескольких отдельных белковых субъединиц (протомеров), связанных между собой тоже слабыми химическими связями. Пример олигомерного белка - это белок гемоглобин, который участвует в переносе кислорода. Молекула гемоглобина состоит из четырех протомеров - двух альфа и двух бета.

В стабилизации третичной структуры белка 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.

Под третичной структурой белка понимают расположение его полипептидной цепи в пространстве. При увеличении молекулярной массы белков можно наблюдать тенденцию к образованию в рамках одной полипептидной цепи структур глобулярного типа. Эти структуры включают гидрофобное ядро и сольватационную оболочку из полярных и заряженных групп. Такие структурные образования получили название доменов. Под доменами в белках понимают области в третичной структуре с автономной структурной организацией. Зачастую домены определяют какую-либо функцию белка. Так, в НАД+- зависимых дегидрогеназах идентифицируется домен, ответственный за связывание кофактора — никотинамидадениндинуклеотида (НАД+). Этот домен присутствует у большинства НАД+- зависимых дегидрогеназ.

64. Протамины и гистоны. Структура, свойства, функции.

Протамины - низкомолекулярные белки, содержащиеся в ядрах сперматозоидов у рыб и птиц, где они связаны с ДНК. Для протаминов характерно высокое содержание щелочных аминокислот (аргинин и лизин), особенно аргинина (70—80%). Протамины характеризуются не только высоким содержанием основных аминокислот, но также отсутствием в их составе триптофана и серосодержащих аминокислот; в большинстве протаминов также отсутствуют тирозин и фенилаланин. Протамины содержатся в большом количестве в сперме рыб и др. В зависимости от источника получения протаминов они носят разные названия: сальмин ( из молок семги), клупеин ( из сельди) и др.

Свойства:

• Хорошо растворяются в воде, кислой и нейтральной среде.

• Осаждаются щелочами.

• Отсутствует денатурация при нагревании.

• Образуют соли с кислотами и комплексы с кислыми белками.

Протамины служат для организации хроматина в ядрах сперматозоидов. В ядрах всех других типов клеток (кроме сперматозоидов) ДНК ассоциирована с гистонами. Во время спермиогенеза гистоны удаляются из ядра сперматиды, и ДНК связывается протаминами. Это позволяет значительно плотнее конденсировать хроматин и уменьшить размер ядра сперматозоида. В отличие от хроматина с участием гистонов, хроматин с участием протаминов неактивен — в ядре сперматозоидов невозможны процессы транскрипции.

Гистоны - группа белков, обладающих слабоосновными свойствами; относятся к простым белкам. Гистоны содержатся в ядрах большинства клеток животных. Особенно богаты ими белки эритроцитов и зобной железы. Щелочные свойства гистонов определяются наличием основных аминокислот — гистидина, лизина и аргинина. В отличие от большинства белков, гистоны почти не содержат триптофана. В ядрах клеток (в частности, в хромосомах) образуют комплекс с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) — нуклеогистон. Полагают, что присоединение гистонов к ДНК и их отщепление могут регулировать синтез рибонуклеиновой кислоты (РНК), а тем самым — биосинтез белков.

65. Альбумины и глобулины. Структура, свойства, функции.

Эти белки относятся к белкам, широко распространенным в органах и тканях животных. Наиболее богаты ими белки сыворотки крови, молока, яичный белок, мышцы и др. В плазме крови человека в норме содержится около 7% белков, представленных преимущественно альбуминами и глобулинами.

Альбумины и глобулины – это глобулярные белки, различающиеся по растворимости: альбумины растворимы в чистой воде, а глобулины — только в присутствии солей. В количественном отношении среди белков плазмы наиболее представлен альбумин. Альбумин синтезируется печенью. Функции альбумина в организме: транспортная (перенос лекарств и других чужеродных веществ, гормонов [тироксин, трийодтиронин, кортизол], метаболитов [жирные кислоты, билирубин, мочевая кислота], неорганических ионов Ca2+, Mg2+, Zn2+); поддержание коллоидно-осмотического давления (благодаря способности удерживать воду); пластическая (белки являются структурными компонентами всех клеточных элементов и органелл).

Глобулины, в свою очередь, состоят из таких фракций: альфа1-глобулины, альфа2- глобулины, бета- глобулины и гамма- глобулины. Глобулины, представленные α1-фракцией, содержатся в крови в комплексе с билирубином и с липопротеинами высокой плотности. Глобулины, мигрирующие при электрофорезе в виде α2-фракции, содержат глобулин и неизвестный гликопротеин. β-Глобулины включают ряд важных в функциональном отношении белков, в частности трансферрин – белок, ответственный за транспорт железа. С этой же фракцией связан церулоплазмин – белок, транспортирующий ионы меди. Отсутствие этого белка приводит к развитию гепатоцеребральной дистрофии, при которой наблюдается отравление организма ионами свободной меди. В основе болезни лежит врожденный дефицит синтеза церулоплазмина. Наконец, во фракции β-глобулинов содержится протромбин, являющийся предшественником тромбина – белка, ответственного за превращение фибриногена крови в фибрин при свертывании крови.

Эти белки участвуют в транспорте липидов, гормонов, витаминов и ионов металлов, они образуют важные компоненты системы свертывания крови; фракция γ-глобулинов содержит антитела иммунной системы

66. Нуклеопротеины. Структура, свойства, функции.

Нуклеопротеины состоят из белков и нуклеиновых кислот, длительное время существующие в клетке в составе органелл или структурных элементов клетки в отличие от разнообразных короткоживущих промежуточных комплексов белок — нуклеиновая кислота. В природе обнаружено 2 типа нуклеопротеинов, отличающихся друг от друга по составу, размерам и физико-химическим свойствам,– дезоксирибонуклеопротеины (ДНП) и рибонуклеопротеины (РНП). У РНП углевод представлен рибозой, у ДНП – дезоксирибозой. Термин «нуклеопротеины» связан с названием ядра клетки, однако ДНП и РНП содержатся и в других субклеточных структурах. Доказано, что ДНП преимущественно локализованы в ядре, а РНП – в цитоплазме. В то же время ДНП открыты в митохондриях, а в ядрах и ядрышках обнаружены также высокомолекулярные РНП.

67. Липопротеины. Структура, свойства, функции.

Липопротеины - состоят из белка и простетической группы, представленной каким-либо липидом. В частности, в составе липопротеинов открыты нейтральные жиры, свободные жирные кислоты, фосфолипиды, холестериды. Липо-протеины широко распространены в природе: в растениях, тканях животных и у микроорганизмов – и выполняют разнообразные биологические функции. Они входят в состав клеточной мембраны и внутриклеточных биомембран ядра, митохондрий, микросом (структурированные липопро-теины), а также присутствуют в свободном состоянии (главным образом в плазме крови). К липопротеинам относятся, кроме того, тромбопластический белок ткани легких, липовителлин желтка куриного яйца, некоторые фосфолипиды молока и т.д. Установлено, что липопротеины участвуют в структурной, комплексной организации миелиновых оболочек, нервной ткани, хлоропластов, фоторецепторной и электронно-транспортной систем, палочек и колбочек сетчатки и др.

Большинство ЛП синтезируется в печени или в слизистой оболочке кишечника. Они содержат гидрофобное липидное ядро, окруженное полярными липидами и оболочкой из белков, получивших название апобелки. Имеются данные, что в образовании липопротеинов участвуют не ковалентные силы различной природы, определяемые наличием или отсутствием у липидного компонента ионизированных групп атомов. Если в образовании липопротеина участвуют фосфолипиды, то между ними и белковой молекулой возникает ионный тип связи . Доказано также существование гидрофобных взаимодействий между неполярными группами липидного компонента (например, радикалы жирных кислот) и белковой молекулы. Чаще в липопротеинах действуют комбинированно разные не ковалентные силы, способствуя образованию в высшей степени упорядоченной двойной белково-липидной структуры биомембран.

68. Процессы «гниения» белков в толстом кишечнике. Обезвреживание продуктов гниения.

В основном белки перевариваются в кишечнике под действием пептидгидролаз поджелудочной железы (трипсин, химотрипсин, эластаза, карбоксипептидаза) и кишечника (аминопептидаза, дипептидаза, трипептидаза). Под действием эндопептидаз (пептидазы желудка, трипсин, химотрипсин, эластаза) белки распадаются до полипептидов, под действием экзопептидаз (карбоксипептидаза, аминопептидаза, ди- и трипептидазы) полипептиды распадаются до аминокислот.

В результате переваривания белков в просвете тонкого кишечника образуется смесь аминокислот, которые начинают всасываться.

Помимо переваривания, которое происходит под действием ферментов ЖКТ, нерасщепленные белки подвергаются действию ферментов микрофлоры толстого кишечника, подвергаясь гниению.

Гниение белков – это более глубокое расщепление белков, при котором изменения происходят с аминокислотами.

Между перевариванием и гниением существуют следующие различия – 1) переваривание идет под действием собственных ферментов ЖКТ, а гниение под действием ферментов микрофлоры толстого кишечника; 2) переваривание идет до аминокислот, а гниение затрагивает сами аминокислоты; 3) при переваривании образуется смесь аминокислот, которая всасывается, а при гниении образуются амины и другие продукты, которые выводятся из организма.

Разрушение аминокислот при гниении может идти 2 путями: 1) декарбоксилирование; 2) окисление боковой цепи.

При декарбоксилировании аминокислот образуются соответствующие амины. В толстом кишечнике обычно декарбоксилируются диаминомонокарбоновые аминокислоты, например, при декарбоксилировании орнитина образуется путресцин, при декарбоксилировании лизина образуется кадаверин.

Путресцин и кадаверин образуются также при разложении трупов, поэтому первоначально их называли трупными ядами. Впоследствии оказалось, что эти вещества не ядовиты и могут выводиться без предварительного обезвреживания. В кишечнике эти амины образуются в небольшом количестве, выводятся с мочой.

Второй путь гниения – окисление боковой цепи аминокислот. По этому пути гниют в основном циклические аминокислоты – тирозин и триптофан. Так, при окислении боковой цепи тир образуются крезол и фенол, при окислении боковой цепи три образуются индол и скатол. Эти соединения называют кишечными ядами. Они поступают в воротную вену и в печени подвергаются обезвреживанию путем конъюгации с серной или глюкуроновой кислотами. Индол и скатол предварительно окисляются в печени с образованием индоксила и скатоксила. При этом образуются парные эфиросерные и эфироглюкуроновые кислоты, которые выводятся с мочой.

71. Этапы трансляции при биосинтезе белка: инициация, отбор аминокислот, элонгация, терминация.

Инициация. Сущность инициации заключается в образовании пептидной связи между двумя первыми аминокислотами полипептида. Первоначально образуется инициирующий комплекс, в состав которого входят: малая субъединица рибосомы, специфические белки (факторы инициации) и специальная инициаторная метиониновая тРНК с аминокислотой метионином – Мет–тРНКМет. Инициирующий комплекс находит мРНК и присоединяется к ней в точке инициации (начала) биосинтеза белка: в большинстве случаев это стартовый кодон АУГ. Между стартовым кодоном мРНК и антикодоном метиониновой тРНК происходит кодонзависимое связывание с образованием водородных связей. Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы. При объединении субъединиц образуется целостная рибосома, которая несет два активных центра (сайта): А–участок (аминоацильный, служит для присоединения аминоацил-тРНК) и Р–участок (пептидилтрансферазный, служит для образования пептидной связи между аминокислотами). Первоначально Мет–тРНКМет находится на А–участке, но затем перемещается на Р–участок. На освободившийся А–участок поступает аминоацил-тРНК с антикодоном, который комплементарен кодону мРНК, следующему за кодоном АУГ. В нашем примере это Гли–тРНКГли с антикодоном ЦЦГ, который комплементарен кодону ГГЦ. В результате кодонзависимого связывания между кодоном мРНК и антикодоном аминоацил-тРНК образуются водородные связи. Таким образом, на рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Ковалентная связь между первой аминокислотой (метионином) и её тРНК разрывается. После образования пептидной связи между двумя первыми аминокислотами рибосома сдвигается на один триплет. В результате происходит транслокация (перемещение) инициаторной метиониновой тРНКМет за пределы рибосомы. Водородная связь между стартовым кодоном и антикодоном инициаторной тРНК разрывается. В результате свободная тРНКМет отщепляется и уходит на поиск своей аминокислоты. Вторая тРНК вместе с аминокислотой (в нашем примере Гли–тРНКГли) в результате транслокации оказывается на Р–участке, а А–участок освобождается.

Элонгация. Сущность элонгации заключается в присоединении последующих аминокислот, то есть в наращивании полипептидной цепи. Рабочий цикл рибосомы в процессе элонгации состоит из трех шагов: кодонзависимого связывания мРНК и аминоацил-тРНК на А–участке, образования пептидной связи между аминокислотой и растущей полипептидной цепью и транслокации с освобождением А–участка. На освободившийся А–участок поступает аминоацил-тРНК с антикодоном, соответствующим следующему кодону мРНК (в нашем примере это Тир–тРНКТир с антикодоном АУА, который комплементарен кодону УАУ). На рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Связь между предыдущей аминокислотой и её тРНК (в нашем примере между глицином и тРНКГли) разрывается. Затем рибосома смещается еще на один триплет, и в результате транслокации тРНК, которая была на Р–участке (в нашем примере тРНКГли), оказывается за пределами рибосомы и отщепляется от мРНК. А–участок освобождается, и рабочий цикл рибосомы начинается сначала.

Терминация. Сущность терминации заключается в окончании синтеза полипептидной цепи. Рибосома под воздействием определенных белков вновь разделяется на субъединицы. В конце концов, рибосома достигает такого кодона мРНК, которому не соответствует ни одна тРНК (и ни одна аминокислота). Существует три таких нонсенс–кодона: УАА («охра»), УАГ («янтарь»), УГА («опал»). На этих кодонах мРНК рабочий цикл рибосомы прерывается, и наращивание полипептида прекращается.

73. Фосфопротеины, биологическая роль. Характер связи фосфорной кислоты в фосфопротеинах.

Фосфопротеины - сложные белки, содержащие остаток фосфорной кислоты. Фосфорная кислота эфирной связью соединена с гидроксилом серина, треонина или тирозина. Перенос фосфорильного остатка на белок катализируется ферментом протеинкиназой из группы фосфотрансфераз , донором фосфата при этом служит молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Под действием щёлочи происходит неферментативное отщепление фосфорильной группы. К фосфопротеинам относятся: казеин – один из основных белков молока, овальбумин и вителлин – белки куриного яйца. Фосфопротеины широко распространены в живых организмах, участвуя в обмене веществ, регуляции ядерной активности клетки, транспорте ионов и окислительных процессах в митохондриях.

58. Способы установления структуры белка. Твердофазный синтез белков.

Белки могут принимать различные формы, и знание этих форм помогает в определении их функции. Анализ структуры белка может многое рассказать ученым о поведении молекулы, но многие из используемых в настоящее время методов ее расшифровки требуют кристаллизации белка или какого-либо другого изменения его естественного состояния.

Определение первичной структуры белков сводится к выяснению порядка расположения аминокислот в полипептидной цепочке. Эту задачу решают с помощью метода секвенирования.

Собственно секвенирование на его сегодняшнем уровне позволяет определить аминокислотную последовательность в полипептидах, размер которых не превышает несколько десятков аминокислотных остатков. Определение первичной последовательности белка сводится к следующим основным этапам:

1) Расщепление белка на несколько фрагментов длиной, доступной для секвенирования.

2) Секвенирование каждого из полученных фрагментов.

3) Сборка полной структуры белка из установленных структур его фрагментов.

Ученые во главе с профессором химии Андреем Токмаковым и постдокторантом Карлосом Байзом описали свой новой метод в статье, опубликованной в журнале Analyst. Их подход основан на технологии, известной как двумерная инфракрасная спектроскопия, то есть на облучении молекул импульсами инфракрасного света и количественной оценке возникающих в результате облучения молекулярных колебаний. Ученые разработали метод анализа данных и определения их корреляции со структурными элементами белков.

После образования первичной структуры белки, как правило, сворачиваются в одну из двух вторичных структур – альфа-спирали и бета-складчатые листы. Американские ученые проводят различие между этими двумя структурами, исследуя, как под воздействием инфракрасного света изменяются связи между углеродом и кислородом, присутствующие в каждой из аминокислот, входящих в состав белков.

В альфа-спирали связи между углеродом и кислородом параллельны остову белка; в бета-листе эти связи перпендикулярны листу. Из-за этой разницы при ударе инфракрасным излучением связи колеблются на разных частотах, что позволяет вычислить процент аминокислот, входящих в спиральную структуру, и процент аминокислот, образующих бета-лист.

Исследователи подтвердили правильность своих расчетов, проанализировав белки, структуры которых уже известны. Пока метод не раскрывают точную структуру белковой молекулы, но ученые работают над способами определения организации листов и спиралей, исходя из спектроскопических данных.

Для синтеза белков стали применять метод, впервые предложенный Р. Меррифилдом и получивший название твердофазного синтеза пептидов (ТФСП). На первой стадии синтеза аминокислоту, которая будет стоять на С-конце будущего белка, присоединяют через ее карбоксильную группу к полимеру. При этом нередко используют образование эфирной связи между этой группой и хлорметильной группой полимера:

Затем проводят ацилирование свободной аминогруппы этой аминокислоты путем реакции с дициклогексилкарбодиимидом и другой аминокислотой, которая содержит защищенную аминогруппу. В результате образуется первая пептидная связь:

После удаления трет-бутоксикарбонильной группы и нейтрализации полимер, несущий пептид, готов для следующей стадии ацилирования:

Вслед за присоединением последнего аминокислотного остатка аддукт полипептида и полимера обрабатывают смесью бромистого водорода и трифторуксусной кислоты. В результате полипептид освобождается от полимера, а с N-концевой аминокислоты снимается защитная группа.

Преимущество этого метода по сравнению с классическими методами синтеза состоит в том, что ни на одной из стадий не требуется выделения полипептидной цепи. В силу чрезвычайно низкой растворимости аддукта пептида и полимера легко отмывается после каждой реакции от побочных продуктов, растворителей и избытка реагентов без потери пептида, после чего аддукт готов к следующей реакции. В настоящее время метод автоматизирован, и запрограммированные аминокислотные синтезаторы могут без труда присоединить шесть аминокислот к растущей полипептидной цепи за 24 ч. Эти приборы добавляют реактивы в надлежащей последовательности, меняют условия реакций, обеспечивают необходимое время реакций, отмывают побочные продукты, после чего начинают операцию снова. С помощью метода ТФСП были синтезированы инсулин и фермент рибонуклеаза, состоящий из 124 аминокислот.

60. Методы выделения белков из биологического материала. Способы очистки белковых препаратов. Молекулярная масса белка. Роль белков в построении живой материи.

Получение индивидуальных белков из биологического материала (тканей, органов, клеточных культур) требует проведения последовательных операций, включающих:

• дробление биологического материала и разрушение клеточных мембран;

• фракционирование органелл, содержащих те или иные белки;

• экстракцию белков (перевод их в растворённое состояние);

• разделение смеси белков на индивидуальные белки.

1. Методы разрушения тканей и экстракции белков

Для разрушения биологического материала используют методы: гомогенизации ткани, метод попеременного замораживания и оттаивания, а также обработку клеток ультразвуком.

1) Гомогенизация биологического материала

Ткань, находящуюся в буферном растворе с определённым значением рН и концентрацией солей, помещают в стеклянный сосуд (гомогенизатор) с пестиком. Вращающийся пестик измельчает и растирает ткань о притёртые стенки сосуда.

2) Метод замораживания и оттаивания ткани

В результате попеременного замораживания и оттаивания образующиеся кристаллы льда разрушают оболочки клеток. После разрушения ткани нерастворимые части осаждают центрифугированием. Последующее центрифугирование гомогената с разной скоростью позволяет получить отдельные фракции, содержащие клеточные ядра, митохондрии и другие органеллы, а также надосадочную жидкость, в которой находятся растворимые белки цитозоля клетки.

3) Экстракция белков, связанных с мембранами, и разрушение олигомерных белков на протомеры

Если искомый белок прочно связан с какими-либо структурами клетки, его необходимо перевести в раствор. Так, для разрушения гидрофобных взаимодействий между белками и липидами мембран в раствор добавляют детергенты. При действии детергентов обычно разрушаются и гидрофобные взаимодействия между протомерами в олигомерных белках.

4) Удаление из раствора небелковых веществ

Нуклеиновые кислоты, липиды и другие небелковые вещества можно удалить из раствора, используя их особенные физико-химические свойства. Так, липиды легко удаляются из раствора добавлением органических растворителей, например ацетона. Однако воздействие должно быть кратковременным, так как ацетон вызывает денатурацию некоторых белков. Нуклеиновые кислоты осаждают добавлением в раствор стрептомицина.

2. Методы очистки белков

Наиболее трудоёмкий этап получения индивидуальных белков - их очистка от других белков, находящихся в растворе, полученном из данной ткани. Часто изучаемый белок присутствует в небольших количествах, составляющих доли процента от всех белков раствора. Так как белки обладают конформационной лабильностью, при работе с белками следует избегать денатурирующих воздействий, поэтому выделение и очистка белков происходят при низких температурах.

Первыми методами очистки необходимо удалить из раствора основную массу балластных белков, которые значительно отличаются от выделяемого белка физико-химическими свойствами. Впоследствии применяют всё более тонкие методы очистки белка.

Очистка белков избирательной денатурацией

Большинство белков денатурирует и выпадает в осадок уже при кратковременном нагревании раствора до 50-70 °С или подкислении раствора до рН 5. Если выделяемый белок выдерживает эти условия, то с помощью избирательной денатурации можно удалить большую часть посторонних белков, отфильтровав выпавшие в осадок-белки, или осадить их центрифугированием.

Высаливание

Метод очистки белков, основанный на различиях в их растворимости при разной концентрации соли в растворе. Соли щелочных и щёлочно-земельных металлов вызывают обратимое осаждение белков, т.е. после их удаления белки вновь приобретают способность растворяться, сохраняя при этом свои нативные свойства. Чаще всего для разделения белков методом высаливания используют разные концентрации солей сульфата аммония - (NH4)2SO4. Чем выше растворимость белка, тем большая концентрация соли необходима для его высаливания.

Гель-фильтрация, или метод молекулярных сит

Метод разделения белков с помощью гель-фильтрационной хроматографии основан на том, что вещества, отличающиеся молекулярной массой, по-разному распределяются между неподвижной и подвижной фазами. Хроматографическая колонка заполняется гранулами пористого вещества (сефадекс, агароза и др.). В структуре полисахарида образуются поперечные связи и формируются гранулы с "порами", через которые легко проходят вода и низкомолекулярные вещества. В зависимости от условий можно формировать гранулы с разной величиной "пор". Более мелкие молекулы диффундируют внутрь гранул сефадекса и на некоторое время попадают в неподвижную фазу, в результате чего их движение задерживается. Величина пор определяет размер молекул, способных проникать внутрь гранул.

Ультрацентрифугирование

Метод разделения также основан на различии в молекулярных массах белков. Скорость седиментации веществ в процессе вращения в ультрацентрифуге, где центробежное ускорение достигает 100 000-500 000 g, пропорционально их молекулярной массе. На поверхность буферного раствора, помещённого в кювету, наносят тонкий слой смеси белков. Кювету помещают в ротор ультрацентрифуги. При вращении ротора в течение 10-12 ч более крупные молекулы (с большей молекулярной массой) оседают в буферном растворе с большей скоростью. В результате в кювете происходит расслоение смеси белков на отдельные фракции с разной молекулярной массой. После расслоения белковых фракций дно кюветы прокаливают иглой и по каплям собирают содержимое небольшими порциями в пробирки.

Электрофорез белков

Метод основан на том, что при определённом значении рН и ионной силы раствора белки двигаются в электрическом поле со скоростью, пропорциональной их суммарному заряду. Белки, имеющие суммарный отрицательный заряд, двигаются к аноду (+), а положительно заряженные белки - к катоду (-).

Ионообменная хроматография

Так же как и электрофорез, метод основан на разделении белков, различающихся суммарным зарядом при определённых значениях рН и ионной силы раствора. При пропускании раствора белков через хроматографическую колонку, заполненную твёрдым пористым заряженным материалом, часть белков задерживается на нём в результате электростатических взаимодействий.

Аффинная хроматография, или хроматография по сродству

Это наиболее специфичный метод выделения индивидуальных белков, основанный на избирательном взаимодействии белков с лигандами, прикреплёнными (иммобилизированными) к твёрдому носителю. В качестве лиганда может быть использован субстрат или кофермент, если выделяют какой-либо фермент, антигены для выделения антител и т.д. Через колонку, заполненную иммобилизованным лигандом, пропускают раствор, содержащий смесь белков. К лиганду присоединяется только белок, специфично взаимодействующий с ним; все остальные белки выходят с элюатом. Белок, адсорбированный на колонке, можно снять, промыв её раствором с изменённым значением рН или изменённой ионной силой. В некоторых случаях используют раствор детергента, разрывающий гидрофобные связи между белком и лигандом.

Белки - высокомолекулярные соединения, но могут сильно отличаться по молекулярной массе, которая колеблется от 6000 до 1 000 000 Д и выше. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а для олигомерных белков - и от количества входящих в него протомеров (или субъединиц).

Белок является основой всей живой материи на планете. Клетка любого организма, и человеческого, в том числе, состоит из белка.

61. Свойства белковых растворов. Факторы, влияющие на растворимость белков. Способы осаждения белков.

Свойства белковых растворов определяются большими размерами молекул, т.е. белки являются коллоидными частицами и образуют коллоидные растворы. К свойствам белковых растворов относят:

1. Рассеивание света вследствие дифракции на коллоидных частицах – опалесценция. Особенно это заметно при прохождении луча света через белковый раствор, когда виден светящийся конус (эффект Тиндаля).

2. Белковые растворы в отличие от истинных обладают малой скоростью диффузии.

3. Неспособность белковых частиц проникать через мембраны, поры которых меньше диаметра белков (полупроницаемые мембраны).

4. Создание онкотического давления, т.е. перемещение воды в сторону более высокой концентрации белка.

5. высокая вязкость в результате сил сцепления между крупными молекулами.

На растворимость белков существенное влияние оказывают следующие факторы: а) рН, б) ионная сила, в) диэлектрические свойства растворителя и г) температура.

а) Влияние рН раствора на растворимость белков.

При значении рН раствора, совпадающем с величиной рНизоэлектрической точки, белки будут обладать наименьшей растворимостью. Объясняется это тем, что в изоэлектрической точке суммарный заряд молекулы белка равен нулю, и, следовательно, между соседними молекулами белка отсутствует электростатическое отталкивание. При значениях рН, отличных от значений рНИЭТ, молекулы белка имеют суммарный заряд одного знака, вследствие чего они отталкиваются друг от друга. На этом свойстве основан метод изоэлектрического осаждения белков.

б) Влияние ионной силы на растворимость белков.

При добавлении к растворам белка солей небольших концентраций растворимость многих белков повышается. Этот эффект зависит также от величины зарядов каждого из ионов, присутствующих в растворе: соли, содержащие двухзарядные ионы значительно эффективнее повышают растворимость белков, чем соли, содержащие однозарядные ионы. При значительном повышении концентрации солей растворимость белков начинает опять понижаться, и при очень высоких концентрациях соли белок может полностью выпасть в осадок (если рН среды совпадает с рНИЭТ). Это явление называется высаливанием.

в) Влияние растворителя на растворимость белков.

Добавление смешивающихся с водой нейтральных органических растворителей уменьшает растворимость большинства белков в воде до такой степени, что они могут выпадать в осадок (если при этом рН раствора совпадает с рНИЭТ). Например, этанол или ацетон, являясь водоотнимающими веществами, понижают степень гидратации белков и уменьшают их растворимость. Кроме того, растворимость белков зависит от диэлектрической постоянной среды (при постоянных значениях рН и ионной силы). С уменьшением диэлектрической постоянной растворителя силы притяжения между двумя молекулами белка возрастают, что способствует агрегации белков, т.е. снижает их растворимость. Эти закономерности используют для разделения белковых молекул.

г) Влияние температуры на растворимость белков.

В сравнительно узком интервале температур, приблизительно от 0 до 40°С, растворимость большинства белков возрастает с повышением температуры. При температурах, превышающих 40—50°С, большинство белков утрачивает стабильность, начинается их денатурация, сопровождающаяся обычно резким снижением растворимости.

Белки в растворе и соответственно в организме сохраняются в нативном состоянии за счет факторов устойчивости, к которым относятся заряд белковой молекулы и гидратная оболочка вокруг нее. Удаление этих факторов приводит к склеиванию молекул белков и выпадению их в осадок. Осаждение белков может быть обратимым и необратимым в зависимости от реактивов и условий реакции.

Обратимое осаждение: Под действием факторов осаждения белки выпадают в осадок, но после прекращения действия (удаления) этих факторов белки вновь переходят в растворимое состояние и приобретают свои нативные свойства. Одним из видов обратимого осаждения белков является высаливание.

Высаливание. Насыщенным раствором сульфата аммония осаждается альбуминовая фракция белков, полунасыщенным раствором - глобулиновая фракция. Сущность реакции заключается в дегидратации молекул белка.

Необратимое осаждение белков: Необратимое осаждение белков связано с глубокими нарушениями структуры белков (вторичной и третичной) и потерей ими нативных свойств. Такие изменения белков можно вызвать кипячением, действием концентрированных растворов минеральных и органических кислот, солями тяжелых металлов.

Осаждение при кипячении. Белки являются термолабильными соединениями и при нагревании свыше 50-60 градусов С денатурируются. Сущность тепловой денатурации заключается в разрушении гидратной оболочки, разрыве стабилизирующих белковую глобулу связей и развертывании белковой молекулы. Наиболее полное и быстрое осаждение происходит в изоэлектрической точке (когда заряд молекулы равен нулю), поскольку частицы белка при этом наименее устойчивы. Белки, обладающие кислыми свойствами, осаждаются в слабокислой среде, а белки с основными свойствами - в слабощелочной. В сильнокислых или сильнощелочных растворах денатурированный при нагревании белок в осадок не выпадает, т.к. его частицы перезаряжаются и несут в первом случае положительный, а во втором - отрицательный заряд, что повышает их устойчивость в растворе.

Осаждение концентрированными минеральными кислотами. Концентрированные кислоты (серная, хлористоводородная, азотная и др.) вызывают денатурацию белка за счет удаления факторов устойчивости белка в растворе (заряда и гидратной оболочки). Однако при избытке хлористоводородной и серной кислоты выпавший осадок денатурированного белка снова растворяется. По-видимому, это происходит в результате перезарядки молекул белка и частичного их гидролиза. При добавлении избытка азотной кислоты растворения осадка не происходит.

Осаждение органическими кислотами. Трихлоруксусная кислота осаждает только белки, а сульфосалициловая осаждает не только белки, но и высокомолекулярные пептиды. Сульфосалициловой кислотой пользуются при определении белка в моче.

Осаждение белка солями тяжелых металлов. Белки при взаимодействии с солями свинца, меди, ртути, серебра и других тяжелых металлов денатурируются и выпадают в осадок. Однако при избытке некоторых солей наблюдается растворение первоначально образовавшегося осадка. Это связано с накоплением ионов металла на поверхности денатурированного белка и появлением положительного заряда на белковой молекуле.

63. Внешний обмен белков и внутриклеточный протеолиз.

Белковый обмен в организме подвержен сложной ре¬гуляции, в которой принимают участие центральная нервная система и железы внутренней секреции. Из гормональных веществ гормон щитовидной железы (ти¬роксин) и гормоны коры надпочечника (глюкокортикоиды) способствуют усилению процессов диссимиляции, распада белков, а гормон поджелудочной железы (инсу¬лин) и соматотропный гормон передней доли гипофиза (гормон роста) усиливают процессы образования (ассимиляции) белковых тел в организме.

Гормон роста — полипептид, выделяемый передней долей гипофиза. Он стимулирует синтез РНК и белка практически во всех тканях организма. Однако характер его действия и мишени меняются по мере роста организма.

Инсулин, помимо углеводного обмена, регулирует и обмен белков. При повышении содержания аминокислот в крови он стимулирует их поступление в клетки, усиливает анаболизм тканевых белков и подавляет катаболизм аминокислот.

Тироксин — гормон щитовидной железы. Его действие проявляется в периоды, когда организм нуждается в повышении процессов синтеза белка. Он также стимулирует рост и дифференцировку тканей, обладает специфическим усиливающим действием на синтез окислительных митохондриальных ферментов.

Эстрогены — стероидные гормоны, образующиеся в женском организме (в яичниках) и стимулирующие синтез РНК и белка в клетках матки. Андрогены — мужские стероидные гормоны, образующиеся в яичках. По сравнению с женскими стероидами мужские оказывают более широкое влияние, так как стимулируют синтез РНК и белков во многих тканях организма, включая клетки поперечно-полосатых мышц.

Из ряда катаболических гормонов влияние на обмен белков оказывают глюкокортикоиды, вырабатывающиеся корой надпочечников. Эти гормоны усиливают расщепление белков в клетках различных тканей и тормозят синтез белка. В то же время они стимулируют синтез белка в печени.

Протеолиз - ферментативный гидролиз белков и пептидов, катализируется протеолитическими ферментами (пептидгидролазами, протеазами) и играет важную роль в регуляции обмена веществ в организме. С протеолизом связаны такие фундаментальные процессы жизнедеятельности, как внутриклеточный распад белков и регуляция их кругооборота, пищеварение, оплодотворение, морфогенез, защитные реакции, адаптационные перестройки обмена. Нарушение П. и его регуляции лежит в основе развития многих патологических состояний. Различают два типа протеолиза: приводящий к полному расщеплению белковых молекул до отдельных аминокислот и частичный, так называемый ограниченный протеолиз, при котором избирательно гидролизуется одна или несколько пептидных связей в молекуле белка. Протеолиз первого типа происходит в результате согласованного действия различных протеолитических ферментов, тогда как реакции ограниченного П. катализируются отдельными специфическими протезами. Полный П. осуществляется при внутриклеточном распаде белков под влиянием тканевых протеаз (часто называемых катепсинами). Он протекает во многих случаях внутри лизосом. Путем полного П. происходит удаление из организма аномальных белков, образующихся в результате мутаций и ошибок биосинтеза. В процессах пищеварения под влиянием протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта пепсина, трипсина, химотрипсина и ряда пептидаз происходит полный П. белков пищи. Ограниченный П. белковых молекул имеет первостепенное значение для регуляции обмена веществ в организме. Реакции ограниченного П. участвуют в процессе образования и инактивации практически всех ферментов, гормонов и других биологически активных белков и пептидов и, следовательно, в контроле активности основных биорегуляторов. Скорость П. белков зависит от ряда факторов, в частности от их взаимодействия с другими веществами: субстратами, коферментами, аллостерическими эффекторами, а также от химических модификаций, которым белок может подвергаться в клетке (гликозилирования, фосфорилирования и др.). При переходе организма из одного физиологического состояния в другое (например, на определенных стадиях эмбриогенеза), а также при голодании и некоторых стрессорных реакциях наблюдается резкое усиление П. тканевых белков.

77. Гликолиз. Биологическое значение. Энергетическая ценность окисления глюкозы в анаэробных и аэробных условиях.

Глико́лиз — ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных.

1. Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование молекулы глюкозы, происходящее при участии тканеспецифичного фермента гексокиназы с затратой энергии 1 молекулы АТФ; образуется активная форма глюкозы — глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф)

Для протекания реакции необходимо наличие в среде ионов Mg2+, с которым комплексно связывается молекула АТФ. Эта реакция необратима и является первой ключевой реакцией гликолиза.

Фосфорилирование глюкозы преследует две цели: во-первых, из-за того что плазматическая мембрана, проницаемая для нейтральной молекулы глюкозы, не пропускает отрицательно заряженные молекулы Г-6-Ф, фосфорилированная глюкоза оказывается запертой внутри клетки. Во-вторых, при фосфорилировании глюкоза переводится в активную форму, способную участвовать в биохимических реакциях и включаться в метаболические циклы.

2) В следующей реакции ферментом фосфоглюкоизомеразой Г-6-Ф превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф)

Энергия для этой реакции не требуется, и реакция является полностью обратимой. На данном этапе в процесс гликолиза может также включаться путём фосфорилирования и фруктоза.

3) Далее почти сразу друг за другом следуют две реакции: необратимое фосфорилирование фруктозо-6-фосфата (3) и обратимое альдольное расщепление образовавшегося фруктозо-1,6-бифосфата (Ф-1,6-бФ) на две триозы (4).

Фосфорилирование Ф-6-Ф осуществляется фосфофруктокиназой с затратой энергии ещё одной молекулы АТФ; это вторая ключевая реакция гликолиза, её регуляция определяет интенсивность гликолиза в целом.

Альдольное расщепление Ф-1,6-бФ происходит под действием альдолазы фруктозо-1,6-бифосфата:

4) В результате четвёртой реакции образуются дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат, причём первый почти сразу под действием фосфотриозоизомеразы переходит во второй (5), который и участвует в дальнейших превращениях:

Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД+ в присутствии дегидрогеназы глицеральдегидфосфата до 1,3-дифосфоглицерата (6):

Далее с 1,3-дифосфоглицерата, содержащего макроэргическую связь в 1 положении, ферментом фосфоглицераткиназой на молекулу АДФ переносится остаток фосфорной кислоты (реакция 7) — образуется молекула АТФ:

Это первая реакция субстратного фосфорилирования. С этого момента процесс расщепления глюкозы перестаёт быть убыточным в энергетическом плане, так как энергетические затраты первого этапа оказываются компенсированными: синтезируются 2 молекулы АТФ (по одной на каждый 1,3-дифосфоглицерат) вместо двух потраченных в реакциях 1 и 3. Для протекания данной реакции требуется присутствие в цитозоле АДФ, то есть при избытке в клетке АТФ (и недостатке АДФ) её скорость снижается. Поскольку АТФ, не подвергающийся метаболизму, в клетке не депонируется а просто разрушается, то эта реакция является важным регулятором гликолиза.

Затем последовательно: фосфоглицеролмутаза образует 2-фосфоглицерат (8):

Енолаза образует фосфоенолпируват (9):

И наконец происходит вторая реакция субстратного фосфорилирования АДФ с образованием енольной формы пирувата и АТФ (10):

Реакция протекает под действием пируваткиназы. Это последняя ключевая реакция гликолиза. Изомеризация енольной формы пирувата в пируват происходит неферментативно.

Значение

Гликолиз — катаболический путь исключительной важности. Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка. Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров. Пируват также может быть использован для синтеза аланина, аспартата и других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках.

Результатом гликолиза является превращение одной молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) и образование двух восстановительных эквивалентов в виде кофермента НАД∙H.

Полное уравнение гликолиза имеет вид:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н+.

При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза будет таким:

Глюкоза + 2АДФ + 2Фн = 2лактат + 2АТФ + 2H2O.

Таким образом, при анаэробном расщеплении одной молекулы глюкозы суммарный чистый выход АТФ составляет две молекулы, полученные в реакциях субстратного фосфорилирования АДФ.

У аэробных организмов конечные продукты гликолиза подвергаются дальнейшим превращениям в биохимических циклах, относящихся к клеточному дыханию. В итоге после полного окисления всех метаболитов одной молекулы глюкозы на последнем этапе клеточного дыхания — окислительном фосфорилировании, происходящем на митохондриальной дыхательной цепи в присутствии кислорода, — дополнительно синтезируются ещё 34 или 36 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы.

78. Ключевые ферменты гликолиза. Обратимость реакций гликолиза.

Ферменты, осуществляющие отдельные этапы гликолиза:

1. Гексокиназа

2. Гликогенфосфорилаза

3. Фосфоглюкомутаза

4. Глюкозофосфатизомераза

5. Фосфофруктокиназа

6. Фруктозобисфосфатальдолаза

7. Триозофосфатизомераза

8, 9. Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа

10. Фосфоглицераткиназа

11. Фосфоглицеромутаза

12. Енолаза

13. Пируваткиназа

14. Лактатдегидрогеназа

Все реакции гликолиза обратимы, кроме Глюкоза + АТФ ⇔ глюкозо-6-фосфат + АДФ, Фруктозо-6-фосфат + АТФ ⇔ фруктозо-1,6-дифосфат, 2Фосфоенолпируват + 2АДФ ⇔ 2пируват

122. Особенности обмена веществ в печени.

Помимо возобновления собственных белков печень синтезирует большую часть белков плазмы крови — практически все альбумины, глобулины. Строительным материалом для этих целей служат аминокислоты, поступающие извне, а также появляющиеся в процессе катаболизма тканевых белков, обмена жирных кислот и углеводов. Формируя белковый состав плазмы, печень поддерживает определенное онкотическое давление в кровеносном русле.

Протеинообразовательная функция печени играет важную роль в обеспечении гемостаза. Только печеночными клетками синтезируются такие факторы свертывающей системы крови как фибриноген (I), протромбин (II), проакцелерин (V), проконвертин (VII), факторы Кристмаса (IX), Стюарта-Пауэра (X), РТА-фактор (XI), плазменная трансглута-миназа (XIII).

Печень регулирует содержание аминокислот не только самим процессом синтеза белка, но и иными механизмами. Путем отщепления аммиака (дезаминирование) освобождается углеродный скелет аминокислоты, который включается в другие процессы обмена веществ в печени, а NH3 утилизируется в синтезе мочевины или глютамина. В соответствии с потребностями организма аминокислоты с помощью ферментов (аминотрансфераз) могут превращаться из одной в другую переносом NН2-группы (переаминирование) на участвующие в этой трансформации кетокислоты. Однако не все аминокислоты могут быть синтезированы в организме. Такими незаменимыми для человека аминокислотами являются метионин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, триптофан, лизин, треонин, валин. Они обязательно должны поступать в достаточном количестве с пищей.

Обмен веществ в печени: углеводы

Углеводы, содержащиеся в пищевых продуктах, в основном представлены поли- и дисахаридами. Они расщепляются гидролазами пищеварительных соков до моносахаридов и в таком виде доставляются в печень портальной кровью. Здесь они превращаются в глюкозо-6-фосфат(Г-6-Ф), из которого синтезируется гомополисахарид гликоген. Он откладывается в печеночных клетках, выступающих при этом в роли хранилища биологического топлива. Запасы гликогена в печени составляют около 10% ее массы. Процесс гликогенеза легко обратим. При снижении уровня глюкозы в крови гликоген расщепляется, и из Г-6-Ф путем гидролиза освобождается глюкоза, поступающая в кровоток. Гликоген содержится в большинстве органов и тканей. К примеру, суммарные запасы гликогена в мышечной ткани почти втрое больше, чем в печени. Однако там отсутствует фермент глюкозо-6-фосфатаза, высвобождающий глюкозу. Поэтому печень является единственным источником, поддерживающим постоянство уровня сахара в крови.

Глюконеогенез обеспечивает жизненно важные потребности организма при голодании или недостатке углеводной пищи.

Расщепление глюкозы дает организму большое количество энергии. Так, окисление ее до конечных продуктов — воды и углекислого газа — сопровождается выделением 686 ккал/моль, при этом половина энергии аккумулируется АТФ и другими макроэргическими соединениями. Распад глюкозы, происходит и в анаэробных условиях (гликолиз), что очень важно для жизнедеятельности многих тканей. Энергии при этом высвобождается значительно меньше, и образуется молочная кислота. Это дополнительный путь обмена веществ в печени.

Обмен веществ в печени: липиды

Жиры, поступающие с пищей, эмульгируются желчью, что значительно облегчает последующий их гидролиз под действием липаз. Образующиеся в результате расщепления триглицеридов жирные кислоты всасываются в кишке и транспортируются в печень. В портальную кровь и лимфатические сосуды кишки липиды попадают в виде хиломикронов — липопротеидных комплексов, содержащих очень малое количество белка (около 1 %). Они образуются в кишечном эпителии. Высокое содержание их проявляется белесоватым помутнением плазмы крови и лимфы. Хиломикроны, попадающие в печень, захватываются путем пиноцитоза гепатоцитами и купферовскими клетками. Хиломикроны лимфы поступают в общий кровоток и утилизируются другими органами, прежде всего легкими.

Печень играет главную роль в обмене таких веществ как липидов. Здесь происходит обмен не только жировых веществ, поступающих из кишечника, но и продуктов их обмена, отовсюду приносимые кровью.

Окисление продуктов распада триглицеридов — жирных кислот и глицерина — приводит к высвобождению большого количества энергии и образованию макроэргического соединения ацетил-коэнзима А (ацетил-КОА). Он утилизируется в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Для полноценного окисления жирных кислот необходимо определенное количество щавелевоуксусной кислоты (промежуточный продукт обмена углеводов). При ее недостатке ацетил-КОА не вовлекается в цикл Кребса, и процесс окисления отклоняется в сторону образования кетоновых тел (ацетоуксусная и Р-оксимасляная кислоты, ацетон). У здорового человека катаболизм жирных кислот по такому пути может происходить при голодании или дефиците углеводов. В клинической практике это наблюдается при нарушениях углеводного обмена веществ (сахарный диабет).

Важное место в обмене таких веществ как липидов занимает холестерин. Некоторое количество его поступает с пищей, но большая часть образуется эндогенным путем из ацетил-КОА. Ежедневно в организме взрослого человека синтезируется около 1000 мг холестерина. Вклад печени в этот процесс составляет приблизительно 80%. Холестерин содержится во всех органах и тканях, составляя 0,2% от массы тела. Он входит в состав цитоплазматических мембран и влияет на изменения их вязкости. Холестерин служит исходным материалом для синтеза стероидных гормонов, витамина D3, желчных кислот. Холестерин является непременным компонентом желчи и вместе с желчными кислотами участвует в энтерогепатической циркуляции (в кишке всасывается до 80% холестерина желчи). Нарушение кишечно-печеночного возврата холестерина усиливает его синтез, и наоборот, богатая холестерином пища тормозит этот процесс.

84. Механизм окислительное декарбоксилирования пирувата. Метаболические превращения ацетил-КоА.

В аэробных условиях пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА. Это превращение катализируется надмолекулярным пируватдегидрогеназным комплексом, локализованным в матриксе митохондрий. В состав пируватдегидрогеназного комплекса входят три различных фермента: пируватдекарбоксилаза, дигидролипоатацетилтрансфераза и дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты, их количественные соотношения в составе комплекса зависят от источника выделения, как правило это соотношение приближается к 30:1:10.

Первый фермент этого комплекса - пируватдекарбоксилаза катализирует реакцию с образованием углекислого газа и активированного ацетальдегида, связанного с тиаминдифосфатом - простетической группой фермента.

Второй фермент - дигидролипоатацетильрансфераза катализирует два последовательных превращения:

а) на первом этапе идет перенос активированного остатка ацетальдегида на простетическую группу фермента - липоевую кислоту, причем этот перенос сопровождается одновременным окислением альдегидной группы до карбоксильной группы: Образуются ацетил-КоА и фермент дигидролипоатацетильрансфераза с восстановленной формой кофермента.

Третий фермент - дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты катализирует превращение восстановленной формы липоевой кислоты предыдущего фермента в окисленную форму: В состав фермента входит в качестве простетической группы ФАД и фактически атомы водорода с восстановленной формы липоевой кислоты вначале переносятся на ФАД, а затем уже переносятся на НАД+ с образованием его восстановленной формы.

При окислении глюкозы образуется 2 молекулы пирувата.

Превращение пирувата в ацетил-КоА в ходе функционирования пируватдегидрогеназного комплекса необратимо.

Контроль интенсивности потока метаболитов по пируватдегидрогеназному комплексу осущесвляется за счет работы двух механизмов: ковалентной модификации и аллостерической модуляции. Ковалентная модификация реализуется в виде фосфорилирования и дефосфорилирования комплекса: Фосфорилирование усиливается при высоких соотношениях АТФ/АДФ, НАДН/НАД+ и ацетил-КоА/КоА. Иначе говоря, активность комплекса снижается, если клетка хорошо обеспечена энергией ( много АТФ и НАДН ) или же цикл Кребса не справляется с окислением имеющегося ацетил-КоА. А дефосфорилирование стимулируется по аллостерическому механизму пируватом, т .е. накопление пирувата в клетке ускоряет его утилизацию - уже известный нам механизм стимуляции предшественником.

Образовавшийся ацетил-КоА поступает в цикл трикарбоных кислот, работа которого сопряжена с функционированием цепи дыхательных ферментов. При функционировании этих двух метаболических путей остаток ацетила окисляется до углекислого газа и воды.

Аэробное окисление одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 6 молекул углекислого газа, 4 макроэргов ( 2АТФ и 2 ГТФ ), а также 12 восстановленных коферментов ( 10 НАДН и 2 ФАДН2)

а) на первом этапе при фосфорилировании гексоз расходуется 2 АТФ ;

б) за счет субстратного окислительного фосфорилирования клетка получает 6 макроэргических эквивалентов ( 4АТФ + 2ГТФ)

в) за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов, куда будут поступать атомы водорода с восстановленных коферментов, клетка получит 34 молекулы АТФ ( З0 молекул АТФ за счет окисления 10 НАДН и еще 4 молекулы АТФ за счет окисления 2 молекул ФАДН2 ).

Оценка энергетической эффективности процесса в плане аккумуляции энергии окисления может быть проведена исходя из того, что свободная энергии гидролиза моля макроэргических связей АТФ в стандартных условиях составляет -7,3 ккал. В таком случае окисление 1 моля глюкозы сопровождается аккумуляцией в АТФ и ГТФ 278 ккал энергии, что составляет около 40% от общего количества энергии, высвобождающейся при окислении 1 моля глюкозы (686 ккал).

Второй важной функцией аэробного окисления глюкозы является пластическая функция. Из промежуточных продуктов ее окисления синтезируется много различных соединений, необходимых клетке:

а) Гл-6-ф используется в клетке для синтеза пентоз и глюкуроновой кислоты,

б) Фр-6-ф - для синтеза аминосахаров,

в) ФГА и ФДА - для образования 3-фосфоглицерола, необходимого для синтеза глицеролсодержащих липидов,

г) 3-фосфоглицериновая кислота - для синтеза заменимых аминокислот: серина, глицина и цистеина,

д) ФЭП - для синтеза сиаловых кислот, используемых при синтезе гетероолигосахаридов,

е) пируват - для синтеза аланина ж) ацетил-КоА - для синтеза жирных кислот и стероидов.