Основы физической, коллоидной и биологической химии. Курс лекций

Эти ядовитые вещества всасываются в кровь и в печени обезвреживаются при участии активной серной кислоты – 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфата (ФАФС) или активной глюкуроновой кислоты – уридиндифосфоглюкуроновой кислоты (УДФ-ГК) с образованием неядовитых парных серных кислот (фенол-серная) или парных глюкуроновых кислот (фенолглюкуроновая), которые выделяются с мочой.

9.4. ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ

Переаминирование (трансаминирование) аминокислот –

это перенос аминогруппы (NН2) от аминокислоты на кетокислоту с образованием новой заменимой аминокислоты (А. Е. Браунштейн, 1937). Аминотрансфераза содержит кофермент фосфопиридоксаль.

Схема реакции переаминирования:

Реакция дезаминирования – это удаление аминогруппы (NH2)

из аминокислоты в виде свободного аммиака (NH3). Теоретически возможны четыре типа дезаминирования:

1)окислительное;

2)восстановительное;

3)гидролитическое;

4)внутримолекулярное.

71

Восстановительное аминирование – это реакция образования аминокислот путём присоединения NН3 к кетокислоте при участии

НАДФ-Н2.

Реакция декарбоксилирования – это выделение группы СО2

при разрушении карбоксильной группы с образованием аминов. Эта реакция идет при участии декарбоксилазы, которая содержит кофермент фосфопиридоксаль.

(ГАМК)

При декарбоксилировании триптофана образуются серотонин, который вызывает сужение сосудов, повышая артериальное давление, и мелатонин, который является антиоксидантом и регулятором циркадных ритмов.

Амины всасываются в кровь и в печени обезвреживаются путём окислительного дезаминирования.

9.5.ОБРАЗОВАНИЕ АММИАКА В ТКАНЯХ

ИПУТИ ЕГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ

Он образуется при реакциях дезаминирования аминокислот, аминов, пуриновых и пиримидиновых оснований, при гидролизе амидов (например, аспарагина).

Аммиак – сильный яд и обезвреживается в печени путем синтеза мочевины (до 85 % у млекопитающих), образования аммонийных солей (NH4Cl), амидов (аспарагина, глютамина), мочевой кислоты (у птиц и рептилий это основной продукт распада белков).

72

Биосинтезмочевиныидетвпечениприучастииорнитиновойкислоты, ипоэтомуегоназываюторнитиновыйциклКребса.

Схемапроцесса:

9.6.БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ

Вклетках постоянно идет самообновление белков с различной скоростью. На 50 % белки плазмы крови и печени обновляются за 10 дней, белки мышц – за 30 дней, белки соединительной ткани (коллаген) – за 300 дней. «Старые» белки расщепляются до аминокислот в лизосомах под влиянием тканевых протеаз («катепсинов»).

Синтез «новых» белков идет в рибосомах:

1. Активация аминокислот при участии АТФ с образованием

аминоациладенилата.

2. Соединение аминоациладенилата с транспортной РНК (т-РНК) и перенос его к рибосомам.

3. В ядре клетки на участке ДНК синтезируется информационная РНК (и-РНК или м-РНК).

4. и-РНК выходит в цитоплазму и соединяет несколько рибосом в полисомы, затем и-РНК тремя водородными связями (кодон) соединяется с т-РНК (антикодон), и определенная аминокислота включается в полипептид.

5. Соединяются аминокислоты в цепочку при участии фермента пептидсинтетазы и энергии двух молекул ГТФ. Процесс называется элонгация.

6. Полипептидная цепочка отделяется от рибосом и формируетсявторичная, третичнаяи четвертичнаяструктурыбелков. Этот биосинтез идет за 1–2 секунды.

73

Вопросы для самоконтроля

1.Охарактеризуйте биологическую полноценность белков.

2.Что называют белковым минимумом?

3.Какие аминокислоты называют заменимыми, незаменимыми и частично заменимыми?

4.Как происходят реакции дезаминирования, декарбоксилированияипереаминированияаминокислот? Раскройтепроцесс образования конечных продуктов обмена белков.

5.Охарактеризуйте основные этапы биосинтеза белков.

10. ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Поступая с кормами, нуклеопротеиды под влиянием пепсина и трипсина распадаются на белок, РНК и ДНК. Затем белок гидролизуется по обычной схеме, а РНК и ДНК под влиянием нуклеаз (РНК-аза, ДНК-аза) распадаются до нуклеотидов (рис. 10). Под влияниемферментафосфатазынуклеотидыраспадаютсянануклеозиды и фосфаты. Под действием фосфорилазы нуклеозиды распадаются на азотистые основания и фосфорные эфиры пентоз (например, рибозо-5-фосфат). Всасываются нуклеозиды, азотистые основания и фосфорные эфиры пентоз.

Нуклеопротеиды

Рис. 10. Схема гидролиза нуклеопротеидов

74

10.1.БИОСИНТЕЗ РНК И ДНК

Восновном этот процесс идет заново, причем фосфатов в тканях достаточно, а Д-рибоза образуется в пентозном цикле окисления глюкозы.

Обмен пуриновых и пиримидиновых оснований. Поступа-

ющие с кормами нуклеотиды и нуклеозиды практически не используются для синтеза РНК и ДНК в тканях. Метод радиоактивных изотопов позволил установить, что в синтезе пуриновых оснований (аденина и гуанина) участвуют аминокислоты – глицин, аспарагиновая кислота, глютамин, муравьиная кислота

(формил), СО2.

В синтезе пиримидиновых оснований (цитозин, тимин, урацил) участвуют аспарагиновая кислота, СО2, NH3.

Распад пуриновых нуклеотидов начинается с отщепления фосфорной кислоты, которые, потеряв остаток рибозы, превращаются в аденин и гунин. Дальнейший распад идёт по схеме:

+H2О

Аденин Гипоксантин

–NH3

аденаза –2H +H2О

Аллантоин

С мочой выделяются мочевая кислота и аллантоин. При нарушениипуриновогообменасолимочевойкислотыоткладываютсяв суставах, возникает подагра. Образование камней из мочевой кислоты в почках называется мочекаменной болезнью. При их прохождении по мочеточнику возникают сильные боли («почечная колика»). У свиней отложение гуанина в суставах или в сале называ-

ется гуаниновой подагрой.

75

При распаде пиримидиновых оснований цитозин дезаминируется с образованием урацила по схеме:

цитозин +Н2Оурацил

–NН3

Далее урацил распадается или с образованием β-аланина, NН3 и СО2 илисобразованиеммочевины, щавелевойкислотыиСО2. Тимин раcпадаетсясобразованиемβ-изомаслянойкислоты, NН3 иСО2.

Биосинтез РНК. Активно идет при делении клеток и синтезе белков. РНК находится и в ядре, и в цитоплазме. Исходные продукты: 4 нуклеозид-3-фосфата и фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза.

Схема синтеза:

Установлено, что РНК синтезируется на участке одной из цепочек ДНК и порядок чередования нуклеотидов в РНК зависит от их порядка в цепочке ДНК.

Образование РНК, комплементарных ядерной ДНК, называет-

ся транскрипцией.

Биосинтез ДНК. Перед делением клетки её ДНК удваиваются (реплицируются). Репликация ДНК начинается одновременно во многих точках. Исходные продукты: 4 дезоксирибонуклеозид- 3-фосфата и фермент ДНК-полимераза.

Схема синтеза:

Вначале двойная спираль ДНК расплетается и к каждой половинке достраивается недостающая часть по принципу комплементарности. Против аденина становится тимин, а против гуанина – цитозин. Удвоение молекул ДНК называют репликацией.

76

10.2.БИОХИМИЯ ГЕНА

ИПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Ген – участок ДНК, содержащий от 100 до 6000 пар нуклеотидов (в среднем – около 1000). Они находятся в хромосомах ядра клетки. Все клетки содержат полный набор генов, однако большинство их обычно «выключено». В геноме кроме кодирующих участков (экзонов) содержатся некодируемые участки (интроны).

Наследственная информация или генетический код зашифрован в последовательности размещения нуклеотидов (азотистых оснований) вцепочкеДНК. Сочетаниетрехнуклеотидов(триплетный код) в генах управляет включением в полипептид при синтезе белка определенной аминокислоты. Например: для лизина – ААА

или ААГ.

Генетическая информация передается по схеме:

ДНК РНК белок (транскрипция и трансляция)

Порядок чередования нуклеотидов в ДНК и РНК может нарушаться под действием физических (радиация) и химических факторов (наркотики, алкоголь и др.), что приводит к нарушениям в передаче генетической информации (мутациям).

Генетическая инженерия – это внесение новых генов в набор генов клетки или избирательное удаление генов из него (В. А. Энгельгардт).

В клетках обнаружены ферменты, которые «разрезают» цепочку ДНК, – рестриктазы, а также ферменты, которые «сшивают» участки ДНК, – лигазы.

С их помощью «разрезают» цепочку ДНК, переносят фрагменты в циклическую ДНК (плазмиду), которую помещают в новую клетку, где фрагменты ДНК встраиваются в ДНК клетки и получаются рекомбинантные ДНК. Таким методом уже получены генно-модифицированные растения, ряд ферментов, гормоны инсулин и соматотропный.

Вопросы для самоконтроля

1.Опишите основные этапы гидролиза нуклеопротеидов.

2.Изкакихвеществвтканяхобразуютсяпуриновыеипиримидиновые основания?

77

3.Как происходит распад пуриновых оснований до мочевой кислоты и аллантоина?

4.Напишите схемы биосинтеза РНК и ДНК.

5.Охарактеризуйте структуру гена. Как происходит перенос генетической информации?

11.ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

11.1.УГЛЕВОДЫ РАСТИТЕЛЬНЫХ И ЖИВОТНЫХ ОРГАНИЗМОВ

Врастениях их 80–90 % в сухом веществе. Основные углево-

ды:

а) целлюлоза (клетчатка), крахмал; б) сахароза, мальтоза, целлобиоза; в) глюкоза, фруктоза, манноза; г) рибоза, дезоксирибоза.

Только растения синтезируют углеводы путем фотосинтеза.

Вживотном организме углеводов 1–2 % в сухом веществе. Основные:

а) гликоген, лактоза – образуются только у животных; б) глюкоза, галактоза, фруктоза; в) рибоза, дезоксирибоза;

г) глицериновый альдегид, диоксиацетон.

Физические свойства моносахаридов: это белые кристаллическиевещества, растворимыевводе, оптическиактивные. Уживотных – Д-форма.

Химические свойства моносахаридов:

1. Окисляются в кислоты (глюкоза – в глюконовую или глюкуроновую кислоту). Это используют в реакции с реактивом Феллинга.

2. Восстанавливаются в спирты (глюкоза – в сорбит).

3. Образуют эфиры (глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат +

+АДФ).

4.Участвуют в реакциях изомеризации: глюкозо-6-фосфат ↔ ↔ фруктозо-6-фосфат.

5.Реагируя с NН3, образуют амины (например, глюкоза, присоединив аммиак, превращается в глюкозамин).

78

11.2.ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ (МУКОПОЛИСАХАРИДЫ)

Втканях животных имеются сложные углеводы – гетерополисахариды, такие как:

1. Гиалуроновая кислота – в межклеточной и синовиальной жидкости, в стекловидном теле глаза. Содержит N-ацетил-β- Д-глюкозамин и β-Д-глюкуроновую кислоту.

Схема:

глюкозамин – глюкуроновая кислота

|

уксусная кислота

2. Хондроитин – серная кислота – в сухожилиях, хрящах, ко-

стях. Содержит N-ацетил-β-Д-галактозаминосульфат и β-Д-глюку- роновую кислоту.

Схема:

галактозамин – глюкуроновая кислота

|

уксусная кислота – сульфат

3. Гепарин – в печени, предупреждает свертывание крови. Содержит N-сульфат-α-Д-глюкозаминосульфат и α-Д-глюкуроновую кислоту.

Схема:

глюкозамин – глюкуроновая кислота

|

сульфат

11.3. ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ

Переваривание происходит под действием ряда ферментов класса гидролаз, кишечного сока и поджелудочной железы.

Схемы процессов:

б) мальтоза +Н2О 2α-глюкозы мальтаза

79

Активность ферментов слюны у животных значительно ниже, чем у человека.

Уже в стенке кишечника идет фосфорилирование моносахаридов с участием АТФ и их изомеризация по схеме:

фруктоза

галактоза +АТФ глюкозо-6-фосфат + АДФ манноза изомеразы

Переваривание целлюлозы в преджелудках жвачных происходит по схеме:

ЛЖК вначале нейтрализуются бикарбонатами (NаНСО3) слюны, а затем в виде солей всасываются в кровь и используются: уксусная и масляная кислоты для синтеза жирных кислот, а пропионовая кислота – для синтеза гликогена.

11.4. СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА В ПЕЧЕНИ

При достаточном кормлении часть глюкозы используется для синтеза гликогена, который откладывается в печени и мышцах (рис. 11). Этот процесс стимулирует гормон инсулин. При снижении содержания глюкозы в крови, а также при голодании идёт распад гликогена (рис. 12). Этот процесс стимулируют гормоны глюкагон, адреналин, норадреналин, тироксин и др.

80