a505b559_bioorganika_metodich_posobie-2013

1)Образуют дополнительные водородные связи между полипептидными цепями коллагена;

2)Участвуют в образовании ковалентных сшивок по механизму альдольной конденсации, упрочняющих коллагеновые волокна;

3)Образуют О-гликозидные связи с углеводами, присоединяющимися к зрелому коллагену.

При недостаточном гидроксилировании полипептидных цепей коллаген остается непрочным и водорастворимым, что приводит к нарушению состояния костей, связок, сосудов. Факторами, улучшающими гидроксилирование пролина и лизина, являются аскорбиновая кислота (витамин С) и катионы меди. Поэтому недостаточность витамина С или

солей меди обычно сопровождается повышенной ломкостью сосудов, костей, разрывами связок и т.д.

После гидроксилирования три полипептидные цепи коллагена объединяются и образуется так называемая перекрученная спираль, или тропоколлаген: это форма третичной структуры, в которой левовращающие полипептидные цепи скручены с образованием правовращающей тройной спирали. На этом этапе образуются многочисленные водородные и ковалентные связи между остатками гидроксипролина и гидроксилизина, находящихся в соседних цепях. Формирование тропоколлагена считается завершенным, когда с помощью специальной протеазы на его концах отщепляется небольшая последовательность аминокислот (сигнальный пептид).

При генетических заболеваниях, сопровождающихся отсутствием или низкой активностью протеазы коллагена, сигнальные последовательности остаются на концах тропоколлагена, что препятствует формированию прочной компактной фибриллы. Кожа,

клапаны сердца, стенки крупных сосудов и другие соединительнотканные структуры у таких больных обладают аномально высокой растяжимостью, неожиданно разрываются без видимой причины, что и становится причиной внезапной смерти больных.

Внорме тропоколлаген, лишенный сигнальных пептидов, подвергается гликозилированию - присоединение олигосахаридных фрагментов по ОНгруппам лизина и пролина. Следовательно, зрелый коллаген представляет собой гликопротеин, причем углеводные «хвосты» придают ему высокую антигенность и специфичность (коллаген разных людей вызывает разную степень отторжения при пересадке органов и тканей).

Далее гликозилированные молекулы тропоколлагена укладываются в ряды по длине. Между молекулами одного ряда образуются кальциевые мостики (адсорбция кальция) и устанавливаются прочные ковалентные связи с противолежащими молекулами соседнего ряда (см. рис. ниже). В результате образуется коллагеновое волокно, нить которого при толщине 1 мм способна выдержать нагрузку в 100 Н (ньютон), это соответствует удерживанию 10 кг груза.

21

Даже незначительные на первый взгляд отклонения в синтезе коллагена (снижение числа ОН-групп, сохранение дополнительных сигнальных последовательностей) приводит к опасным для жизни изменениям структуры и прочностных свойств этого белка.

- Углеводные фрагменты в гликозилированном проколлагене

Секреция – выделение вещества в межклеточное пространство

Тропоколлаген

Коллаген

Далее из микрофибрилл собираются крупные фибриллы, а из них образуется соединительная ткань.

Ферменты

Это самый многочисленный класс белков. Каталитические белки позволяют осуществлять сложные химические превращения различных веществ при очень мягких условиях, характерных для сред организма. Кроме того, регуляция метаболических путей направлена именно на изменение активности определенных ферментов и осуществляется также за счет очень слабых химических и физико-химических воздействий.

Каталитическая и регуляторная активность ферментов тесно связана с их сложной структурой, не полностью расшифрованной для многих из них. Повреждения генов, кодирующих аминокислотные последовательности ферментов, обычно сопровождаются тяжелыми наследственными заболеваниями, которые в большинстве своем неизлечимы.

22

Строение ферментов. Все известные ферменты являются глобулярными белками, имеющими в своей вторичной структуре различные виды организации (α-спирали, ß-складки, статистические клубки). Некоторые ферменты имеют четвертичную структуру, т.е. являются олигомерами. Для большинства ферментов характерна пространственная упаковка глобулы с максимальным количеством полярных аминокислот на поверхности, поскольку они «работают» в водных средах. Исключением из правила являются мембранные ферменты – интегральные белки, имеющие гидрофобный домен на поверхности, например, Na+, K+-АТФаза. Благодаря наличию большого числа ионогенных групп на поверхности глобулы, ферменты быстро реагируют на изменения рН среды: изменение заряда приводит к конформационному изменению, обеспечивающему стабильность глобулы в новых условиях.

Все ферменты имеют в своей структуре активный центр – щелевидную впадину на поверхности глобулы, которая способна взаимодействовать с субстратом: «узнавать» его, связывать, понижая энергию активции, и трансформировать в продукт реакции. Нередко в состав активного центра, помимо остатков аминокислот, включается ион металла (кофактор), производное витамина (кофермент) или ковалентно связанный небелковый комплекс (простетическая группа). В активном центре любого фермента можно выделить связывающий участок и каталитически активные группы. Аминокислотный состав связывающего участка в разных ферментах зависит от типа субстрата: это могут быть гидрофобные боковые радикалы алифатических а/к; сульфгидрильные группы цистеина; комплексы гистидина с ионами металла и т.д. Каталитически активные группы чаще всего принадлежат аминокислотам с химически активной боковой цепью: цистеину (SH-группа); серину и треонину (ОН-группа); аспартату и глутамату (–СОО-); аргинину с его гуанидиниевой группой; гистидину и лизину с их выраженным положительным зарядом за счет аминогрупп.

Некоторые ферменты помимо активного центра имеют еще один центр, в котором связываются вещества-регуляторы. Этот центр называют регуляторным, а ферменты, имеющие кроме активного еще и регуляторный центр, называют аллостерическими. Понятно, что активный и

регуляторный центры – это пространственные образования внутри глобулы, поэтому они появляются только по завершении формирования третичной или четвертичной структуры. Именно поэтому частичная денатурация ферментов с переходом глобула – α-спираль (от третичной структуры ко вторичной) всегда сопровождается исчезновением каталитической активности, а восстановление третичной структуры вновь приводит к образованию того же активного центра, т.е. восстанавливается первоначальная активность фермента.

Химические принципы ферментативного катализа

23

Действие ферментов начинается, как известно, со специфического связывания субстрата. В основе этого явления лежит принцип комплементарности (пространственное соответствие). Как правило, между субстратом и связывающим участком активного центра устанавливаются нековалентные взаимодействия: образуются водородные, ионные, электростатические или гидрофобные связи, иногда наблюдается формирование ковалентной связи с сульфгидрильной группой цистеина или ОН-группой серина.

Результатом процесса специфического связывания субстрата в активном центре фермента является существенное снижение энергии активации субстрата, что, в свою очередь, приводит к высокой скорости каталитического процесса.

Белки пищи. Азотистый баланс

Суточная потребность в белках составляет 70-100 г. в зависимости от возраста и веса. У детей на килограмм веса потребность в белках пищи выше, чем у взрослых, из-за более высокой скорости синтеза белка.

Белки, содержащие полный набор незаменимых аминокислот, называются полноценными белками. Наиболее полноценными являются животные белки (мясо, яйца, молоко). При вегетарианской диете для полноценного белкового питания необходимо расширять набор растительных продуктов (например, включать бобовые), а лучше использовать молочно-растительную диету. Особенно это касается детей и беременных женщин.

Разность между поступающим в организм азотом белков и азотом, выводимым из организма, называется азотистым балансом. У здорового взрослого человека азотистый баланс равен нулю. Такое состояние называется азотистым равновесием. Скорость синтеза белка при этом равна скорости его распада, и количество белка в организме не меняется. Для детей, выздоравливающих больных и беременных женщин характерен положительный азотистый баланс – количество поступающего в организм азота больше, чем выводящегося из организма.

При многих заболеваниях и при недостаточном поступлении с пищей полноценных белков скорость распада белка преобладает над скоростью синтеза и количество белка в организме уменьшается. Такое состояние называется отрицательный азотистый баланс. Со временем при отрицательном азотистом балансе может развиться белковое истощение, усугубляющееся тем, что при недостатке аминокислот нарушается синтез пищеварительных ферментов, и поступающий с пищей белок плохо усваивается. Развивается порочный метаболический круг.

Важную роль в расщеплении белков пищи играет рН среды желудка и кишечника. У взрослых в желудке рН=1,5-2,5 (оптимум рН для пищеварительного фермента пепсина), а в кишечнике рН выше 7. У грудных детей в расщеплении белков в желудке играет важную роль фермент

24

– реннин. Его оптимум рН≈5 соответствует кислотности желудочного сока

у маленьких детей.

Образование НСl в желудке и его роль в расщеплении белков

В цитоплазму обкладочной клетки в стенке желудка поступают протоны, которые с помощью протонно-калиевой АТФ-азы в обмен на ионы калия выделяются в полость желудка. Одновременно под действием фермента карбоангидразы в митохондриях

образуются гидрокарбонат-анионы: СО2 + ОН– = НСО3-

Часть гидрокарбонат–анионов обменивается на Cl- из крови. Сl- через обкладочную клетку также попадает в полость желудка и вместе с Н+ образует НСl. Во время синтеза НСl в кровь постоянно выбрасывается гидрокарбонат натрия. Это явление называется «щелочной прилив». Емкость гидрокарбонатного буфера при этом несколько увеличивается. Из крови NаНСО3 захватывается печенью и поджелудочной железой и выбрасывается в составе желчи и сока поджелудочной железы в двенадцатиперстную кишку для нейтрализации остатков НСl, попадающих с частично переваренной пищей из желудка.

Синтез НСl и фермента пепсина активируют биогенные амины: ацетилхолин и гистамин а также пептидные гормоны желудочно-кишечного тракта. Пепсин и НСl

называют агрессивными факторами желудочного сока. Для того, чтобы защитить от них стенки желудка, клетки синтезируют слизь. Слизь представляет собой вязкий секрет, состоящий из комплексов белков и полисахаридов. Под слой слизи из обкладочных клеток выбрасывается NаHCO3 - это второй слой защиты. Если НСl проходит через слой слизи, то она взаимодействует с гидрокарбонатом с образованием СО2 и воды. Нарушение синтеза слизи – одна из основных причин язвы желудка. Аспирин, некоторые др. противовоспалительные средства а также бактерии Helicobacter pylori подавляют синтез слизи и могут спровоцировать язву желудка. Стресс активирует синтез пептидных гормонов, подавляющих синтез слизи и усиливающих образование HCl, при этом также может развиться язва желудка. При нарушении синтеза НСl и пепсина снижается скорость расщепления белков в желудке, ухудшается всасывание катионов железа, может нарушиться выделение сока поджелудочной железы (отсутствие щелочного прилива в крови).

Но основным этапом расщепления белков является кишечный этап. Из поджелудочной железы в кишечник выделяется панкреатический сок. Кроме ферментов он содержит гидрокарбонат натрия, необходимый для нейтрализации соляной кислоты, поступающей из желудка:

NaHCO3 + НСl = NaCl + H2O + CO2

Образующийся СО2 способствует перемешиванию пищевой массы в кишечнике.

При недостаточности пептидаз - ферментов, расщепляющих пептидные связи в белках, наблюдается явление мальабсорбции: в полости кишечника накапливаются осмотически активные соединения (невсасывающиеся короткие пептиды), из-за чего в просвет кишечника выделяется вода и в результате развивается диарея.

Конечным продуктом переваривания белков являются аминокислоты.

Улюдей со здоровым кишечником 98% аминокислот всасывается.

Вэнтероцитах (клетки кишечника) существует несколько типов белков – переносчиков аминокислот. Наиболее распространен Nа+-зависимый транспорт. Na+

попадает в энтероцит по градиенту концентрации и одновременно с ним в энтероцит поступает аминокислота (явление симпорта). Для поддержания низкой концентрации Na+ в энтероцитах ионы натрия с помощью АТФ-азы постоянно выбрасываются в кровь и в полость кишечника. Важную роль во всасывании аминокислот играет еще один белок-

25

переносчик – фермент -глутамилтранспептидаза (ГГТП). В работе этого фермента принимает участие трипептид глутатион (-глутамилцистеинилглицин). Аминокислота на поверхности энтероцита под действием ГГТП взаимодействует с глутатионом и транспортируется в клетку. Аналогичные белки-переносчики принимают участие в транспорте аминокислот из крови в ткани и в реабсорбции аминокислот в почках.

При нарушении всасывания аминокислот в кишечнике (мальабсорбция) усиливается гниение и может развиться отрицательный азотистый баланс.

Гниение белков в кишечнике

Под действием микрофлоры толстого кишечника аминокислоты разрушаются, превращаясь в продукты разной степени токсичности. Этот процесс называется гниением белков. При этом от аминокислот отщепляются NH3, СО2, Н2S, CH3SH с образованием фенола, гистамина, индола и некоторых других токсичных соединений. Усиление гниения в кишечнике может привести к отравлению организма. Гниение усиливается при нарушении расщепления белков и всасывания аминокислот, при кишечных инфекциях, дисбактериозах и непроходимости желудочнокишечного тракта. Мерой гниения в кишечнике является количество образовавшегося индола, продукта микробного окисления триптофана:

индол

Всосавшиеся продукты гниения попадают в печень, где обезвреживаются путем окисления и последующего сульфирования превращаясь в индикан. Образовавшийся индикан выводится в мочу. Повышение содержания индикана в моче говорит об усилении гниения в кишечнике. Для подавления процессов гниения необходимо поддерживать нормальную микрофлору кишечника.

Лабораторная работа № 2. Высаливание белков. Денатурация белков под действием кислоты.

Вопросы и задания для самостоятельной работы к занятию № 2

1) Что такое пептидная связь? Как она образуется? Напишите образование дипептида из Ала и Гли. Дайте ему название.

2)Повторите незаменимые аминокислоты. Почему белки пищи делят на полноценные и неполноценные?

3)Повторите осмотически активные вещества в организме. Что такое мальабсорбция пептидов и каковы ее последствия для организма человека?

4)Какова роль высокоактивных пептидов в организме? Примеры.

5)Что такое баланс по веществу в организме? Каким может быть баланс по белку, чем он определяется?

26

6)Назовите уровни структуры белка. Приведите примеры первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры белка.

7)Какие химические связи обеспечивают формирование первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры белка?

8)На какие классы подразделяют белки и по каким признакам? Примеры.

9)Назовите основные этапы синтеза коллагена. Какие минорные аминокислоты образуются при синтезе коллагена? Какие микро- и макроэлементы необходимы для его полноценного синтеза?

10)Как называется третичная структура коллагена? Какой витамин участвует в его синтезе?

11)Какова третичная структура большинства ферментов организма человека?

12)За счет какого уровня структуры образуется активный центр ферментов?

13)Определите понятие «денатурация белка». Какие факторы могут ее вызвать?

14)Как влияют конформационные изменения на активность ферментов?

15)Чем отличается процесс денатурации от конформационных изменений?

16)Где образуется HCl и какова ее роль в расщеплении белков пищи? Какой биогенный амин активирует образование соляной кислоты в желудке?

17)Какой рН необходим для эффективного расщепления белков в желудке взрослого человека и грудного ребенка?

Ситуационные задачи к разделу «Белки»

1)Как изменится содержание иммуноглобулинов в крови ребенка, не получающего с пищей животного белка?

2)Почему при недостаточности витамина С кровоточат дѐсны?

3)Люди, пережившие длительное голодание в период военной блокады, продолжали умирать и в эвакуации, несмотря на усиленное питание. Почему?

4)Латирогены – вещества (содержатся в бобовых растениях), связывающие катионы меди в прочные комплексы. Как повлияет избыток латирогенов в пище на костную ткань?

5)Как изменится осмолярность внутриклеточной жидкости при замедлении работы натрий-калиевой АТФазы? К чему это может привести?

6)У больных гипертиреозом усиливается распад коллагена. Содержание каких аминокислот повысится у них в моче?

7)У ребенка положительный азотистый баланс. Здоров ли он?

8)Какой азотистый баланс у здорового взрослого человека?

9)При переедании даже у здорового человека наблюдается мальабсорбция. Каковы ее симптомы? С чем связаны симптомы мальабсорбции?

Тесты «Белки»

1. В синтезе белка участвуют: А) только L-аминокислоты

27

Б) только D-аминокислоты В) только -аминокислоты Г) только -аминокислоты

2.Белковая диета называется полноценной, если содержит А) L-аминокислоты

Б) D-аминокислоты

В) заменимые и незаменимые аминокислоты, в определѐнной пропорции Г) все незаменимые аминокислоты

3.Белковые катализаторы называются ____________.

4.α-спираль является разновидностью:

А) первичной структуры белка Б) вторичной структуры белка В) третичной структуры белка Г) четвертичной структуры белка

5.Распределите белки в соответствии с их пространственным строением: L1: фибриллярные

L2: глобулярные R1: альбумин R2: гем

R3: коллаген

6.Гемоглобин содержит:

А) полипептиды, гем, катион железа Б) только полипептиды В) только гем и катион железа Г) аминокислоты и гем

7.Денатурация белка может быть А) обратимой Б) необратимой

В) и обратимой, и необратимой

8.Каждый фермент обязательно содержит _____________ центр.

9.Синтез HCl в желудке активирует

А) дофамин Б) гистамин

В) высокая температура Г) снижение рН

Занятие №3

Углеводы. Строение и роль в организме

Цель занятия: Изучение строения моносахаров, их производных и их роли в обмене веществ.

Актуальность темы: Углеводы играют центральную роль в обмене веществ. Изучение их строения и роли необходимы врачам для понимания тех процессов, которые происходят у нас в организме.

Содержание:

1.Углеводы. Классификация и строение.

2.Виды изомерии.

3.Моносахара: триозы, пентозы, гексозы.

4.Производные моносахаров.

28

5.Дисахариды: мальтоза, изомальтоза, лактоза, сахароза

6.Роль углеводов

Углеводы - один из основных классов веществ, встречающихся в природе. Они имеют общую формулу Сn(H2O)m.

В зеленых растениях углеводы образуются в результате фотосинтеза с использованием хлорофилла: n CO2 + m H2O → Сn(H2O)m + n O2

свет

Классификация углеводов

Моносахара

Моносахара - производные многоатомных спиртов, содержащие карбонильную группу. В зависимости от положения в молекуле карбонильной группы моносахариды подразделяют на альдозы и кетозы.

Моносахариды по строению можно отнести к простым углеводам, так как они не гидролизуются при переваривании, в отличие от сложных, которые при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов.

В зависимости от числа углеродных атомов моносахара делят на

триозы (С3Н6О3), тетрозы(С4Н8О4 ), пентозы (С5Н10О5), гексозы (С6Н12О6) и

т.д..

Многообразие сахаров связано с их оптической изомерией. Молекулы моносахаров содержат по несколько оптически активных (хиральных) атомов углерода. Такие атомы связаны с четырьмя разными заместителями.

Наиболее наглядно это видно на проекциях Фишера.

Простейшим примером оптической изомерии является глицериновый альдегид. У D-глицеринового альдегида ОН группа направлена вправо, а у L-глицеринового альдегида – влево. Видно, что они относятся друг к другу как зеркальные отражения.

29

Большинство моносахаров организма - это D-сахара. Принадлежность сахара к D или L- ряду определяется конфигурацией хирального атома, наиболее удаленного от кето-группы. Молекулы, являющиеся полным отражением друг друга называются энантимерами. Сахара, отличающиеся друг от друга конфигурацией только одного атома углерода, называются эпимерами. Если отличия наблюдаются у большего числа атомов, – диастереомерами.

Наиболее важную роль играют гексозы: глюкоза, манноза, галактоза и фруктоза.

Звездочками помечены хиральные (оптически активные) атомы углерода.

Манноза отличается от глюкозы конфигурацией второго углеродного атома, а галактоза конфигурацией четвертого углеродного атома. Особенностью природных гексоз является, что ОН-группа у 3его углеродного атома направлена влево.

При взаимодействии альдегидной группы с ОН-группой образуется полуацеталь.

Основной формой существования сахаров является полуацетальная. Ее можно изобразить проекцией Толленса. Как видно на рисунке, 5ый гидроксил глюкозы присоединяется по двойной связи альдегидной группы.

30