- •Глава 1. Структурная организация и принципы функционирования белков Основные проявления жизни - результат функционирования белков
- •Аминокислоты - главные составные части белков
- •Свойства аминокислот - основа свойств белков
- •Спектроскопические свойства аминокислот
- •Химические реакции
- •Методы разделения аминокислот
- •Аминокислота, полипептид, белок
- •Свойства белков определяются свойствами аминокислот
- •Знание иэт важно для разделения белков методом электрофореза
- •Гель-электрофорез
- •Белки выполняют роль буферных систем
- •Белки в воде образуют растворы с особыми свойствами
- •В пространственой структуре белков выделяют четыре уровня организации
- •Исследование первичной структуры белков и пептидов
- •Искусственный синтез белков и пептидов
- •Пространственная структура белковой молекулы
- •Вторичная структура белков
- •Третичная структура белков
- •Четвертичная структура белков
- •Белки чувствительны к внешним воздействиям
- •Для определения количества белков используют разные подходы
- •Белки классифицируются разными способами
- •Простые белки построены только из аминокислот
- •Сложные белки содержат небелковые компоненты
- •Глава 2. Ферменты Клинико-лабораторное значение
- •Немного истории
- •В основе классификации ферментов - тип катализируемой реакции
- •Элементы химической логики
- •В основе химических реакций лежит образование и разрыв химических связей
- •У химической реакции есть скорость и порядок
- •На пути к пониманию механизма действия фермента
- •Ферменты – биологические катализаторы белковой природы
- •Методы выделения и очистки ферментов - это методы выделения и очистки белков.
- •Пример вычисления активности фермента:
- •Для работы некоторых ферментов необходимы дополнительные небелковые соединения
- •Белковая природа определяет многие свойства ферментов
- •Повышение температуры неоднозначно влияет на активность фермента
- •Ферменты характеризуются высокой специфичностью
- •Активность фермента зависит от концентрации субстратов.
- •Важной качественной характеристикой фермента является константа Михаэлиса
- •Уравнение Михаэлиса и Ментен графически – прямоугольная гипербола
- •Примеры использования данных кинетических исследований ферментов в медицине
- •Кинетика мультисубстратных реакций
- •Скорость реакции зависит от концентрации фермента
- •Химические реакции протекают медленно
- •Ферменты превосходят другие катализаторы своей молекулярной активностью. Почему?
- •Группы активного центра фермента используют обычные химические принципы катализа
- •Реакции, катализируемые ферментами – основной объект, на который направлено действие регуляторов процессов жизнедеятельности
- •Активность ферментов можно тормозить (ингибировать)
- •Ингибиторы бывают разные: обратимые и необратимые
- •Обратимые ингибиторы могут быть конкурентными и неконкурентными
- •Конкурентные ингибиторы не всегда структурно подобны субстрату.
- •Конкурентные ингибиторы не влияют на Vmax, они понижают Км.
- •Принципы конкурентного торможения находят применение в медицинской практике.
- •Смешанные неконкурентные ингибиторы
- •Кинетика смешанных неконкурентных ингибиторов
- •Неконкурентные ингибиторы не могут связаться со свободным ферментом.
- •Неконкурентных ингибиторы неактивны при низких концентрациях субстрата.
- •Торможение продуктом реакции- пример конкурентного торможения.
- •Субстрат может быть ингибитором фермента
- •Кинетика многих ферментов не подчиняется принципам кинетики Михаэлиса и Ментен
- •У аллостерических ферментов особые свойства
- •Две модели объясняют механизмы аллостерии.
- •В основе связывания субстрата - индуцированное взаимодействие.
- •Изменение конформации одной субъединицы индуцирует изменения структуры другой
- •Какая гипотеза является правильной?
- •Ферменты неравномерно распределены внутри клеток
- •Доступность субстрата или кофактора - важный элемент регуляции активности ферментов
- •Нарушение функции фермента вызывает болезнь.
- •Энзимопатии следствие ошибок в синтезе белков.
- •Исследование активности ферментов помогает врачу в диагностике болезней.
- •Некоторые примеры использования измерения активности ферментов в диагностике
- •Определение концентрации субстратов возможно при помощи ферментов.
- •Ферменты можно использовать как лекарственные препараты.
- •Рибозимы –исключение , подтверждающее правило.
- •Методы молекулярной инженерии позволяют конструировать новые ферменты
- •Глава 3. Витамины
- •Классификация витаминов
- •Нарушение баланса витаминов в организме
- •Потребность организма человека в витаминах.
- •Причины дисбаланса витаминов в организме.
- •Межвитаминные взаимоотношения
- •Витамин в1 (Tиамин. Антиневритный витамин)
- •Витамин в2(Рибофлавин).
- •Пантотеновая кислота (витамин в3).
- •Витамин рр (Витамин в5 , никотиновая кислота, никотинамид, ниацин). Антипеллагрический витамин.
- •Гомоцис- Серин Цистатионин α-кетобутират Цистеин
- •Фолиевая кислота (Фолацин. Витамин в9. Витамин вс).
- •Фолиевая кислота
- •Метилен-тгфк- Метилен-тгфк-
- •Биотин (витамин н).
- •Пропионил-КоА метилмалонил-КоА
- •Метилмалонил-КоА пируват пропионил-КоА оксалацетат
- •Витамин с (аскорбиновая кислота), антицинготный
- •Остаток глутаминовой кислоты Остаток γ-карбоксиглутаминовой кислоты
- •Рибосомы на мембране эндо-
- •Сигнальный пептид
- •Витаминоподобные соединения Витамин f (эссенциальные жирные кислоты)
- •Инозит(Витамин в8)
- •Карнитин
- •Липоевая кислота (витамин n)
- •Пара-Аминобензойная кислота.
- •Витамин u
- •Холин (витамин в4).
- •Ацетилхолинэстераза н2о
- •Глава 4. Введение в термодинамику Биомедицинское значение.
- •Биоэнергетика- составная часть термодинамики
- •Функции состояния системы.
- •Первый закон термодинамики утверждает энергия вселенной не исчезает
- •Второй закон термодинамики указывает на вероятность и направление процесса
- •Свободная энергия и концентрация. Стандартное состояние в биологических реакциях.
- •Изменение свободной энергии и константа равновесия.
- •Примеры вычисления констант равновесия и изменений свободной энергии
- •Сопряженные реакции лежат в основе многих химических процессов в клетке.
- •«Энергетической валютой» клетки является атф
Витамин рр (Витамин в5 , никотиновая кислота, никотинамид, ниацин). Антипеллагрический витамин.
Химическое строение и свойства. Витамин РР был выделен К. Эвельгеймом в 1937 г., его введение предохраняло от заболевания пеллагрой или излечивало её. «РР» означаетпротивопеллагрический(preventiverellagra).
Никотиновая кислота является пиридин-3-карбоновой кислотой, никотинамид –её амидом. Оба соединения в организме легко превращаются друг в друга и поэтому обладают одинаковой витаминной активностью.
Никотиновая кислота Никотинамид
Витамин РР плохо растворяется в воде, но хорошо в водных растворах щелочей.
Метаболизм. Поступающий с пищей витамин РР быстро всасывается в желудке и кишечнике в основном путём простой диффузии. С током крови никотиновая кислота легко попадает в печень и другие органы, несколько медленнее проникает в них никотинамид. В тканях оба соединения преимущественно используются для синтеза коферментных форм – НАД и НАДФ. Коферменты через биомембраны не проникают.
Биосинтез НАД осуществляется в 2 этапа.
1 этаппротекает в цитоплазме с помощью ферментаникотинмононуклеотид-пирофосфорилазы(источником синтеза фосфорибозилпирофосфата служит рибозо-5-фосфат, образующийся в пентозофосфатном пути окисления глюкозы):
Фосфорибозилпирофосфат РPi
пирофосфорилаза
Никотинамид никотинамид-мононуклеотид
2 этаппродолжается в ядре клетки, реакция катализируетсяНАД-пирофосфорилазой:
АТФ ФФн
пирофосфорилаза
2. Никотинамид-мононуклеотид НАД+
Синтез кофермента может осуществляться также митохондриями.
НАДР образуется из НАД в цитоплазме клетки с участием фермента НАД-киназы:
АТФAДФ
НАД- киназа
НАД+ НАДФ+
Часть никотинамидных коферментов синтезируется в организме животных из триптофана. Однако этот путь, в который вовлекается до 2% метаболического пула триптофана, значительно уступает по эффективности первому (т.е. из прямого витаминного предшественника).
Распад нуклеотидов катализируется ферментами гликогидролазами (соответственно НАД–гликогидролаза и НАДФ–гликогидролаза), расщепляющими гликозидные связи с образованием никотинамида и АДФ-рибозы. Затем никотинамид окисляется и продукты его окисления (преобладает N–метилникотин-амид) выводятся с мочой.
Биохимические функции. Почти весь имеющийся в клетках и жидких средах организма витамин РР представлен в виде никотинамида, включённого в состав коферментов – НАД и НАДФ. Поэтому значение ниацина определяется ролью этих коферментов, которая является чрезвычайно многогранной:
НАД - кофермент дегидрогеназ, участвующих в реакциях окисления глюкозы, жирных кислот, глицерола, аминокислот; является коферментом дегидрогеназ цикла Кребса (исключая сукцинатдегидрогеназу). В этих реакциях кофермент выполняет функцию промежуточного акцептора электронов и протонов.
НАД – переносчик протонов и электронов в дыхательной цепимитохондрий (от окисляемого субстрата к первому комплексу цепи тканевого дыхания).
НАД – субстрат ДНК-лигазной реакциипри синтезе и репарации ДНК, а также субстрат для синтеза поли-АДФ-рибозы в поли-(АДФ)-рибозилировании белков хроматина.
НАДФН – донор водорода в реакциях синтезажирных кислот, холестерина, стероидных гормонов и некоторых других соединений.
НАДФН – компонент монооксигеназной цепимикросомного окисления, выполняющей функцию детоксикации антибиотиков и других чужеродных веществ.
НАД и НАДФ – аллостерические регуляторыферментов энергетического обмена, в частности, ферментов цикла Кребса, а также реакций новообразования глюкозы (глюконеогенеза).
Никотинамид и N-метилникотинамид (метаболит никотинамида) являются участниками процесса метилирования т-РНК и белков.
Гиповитаминоз. Характерным признаком недостаточности ниацина является симптомокомплекс «трёх Д»: дерматит, диарея, деменция. Так проявляется заболеваниепеллагрой (от ит.pelleagra–шершавая кожа). Болезнь, свирепствовавшая в Испании и Португалии вXVIвеке, быстро распространилась по странам Средиземноморского после того, как там стали интенсивно возделывать кукурузу. Поскольку кукуруза намного продуктивнее, чем прочие зерновые культуры, она завоевала огромную популярность и постепенно стала основным продуктом питания для бедных слоёв населения. Однако в кукурузе витамин РР содержится в трудно усвояемой для человека форме, она бедна триптофаном, из которого способен синтезироваться этот витамин..
В основе заболевания лежит нарушение пролиферативной активности и энергетики клеток.
Дерматит чаще всего отмечается на открытых участках кожи, которая под действием солнечных лучей краснеет, покрывается пигментными пятнами (в виде крыльев бабочки) и шелушится. Язык становится ярко-красным и болезненным, утолщается, на нём появляются трещины (глоссит). Слизистые оболочки полости рта (стоматит, гингивит) и кишечника воспаляются, затем изъязвляются. Расстройство пищеварения проявляется тошнотой, отсутствием аппетита, болями в животе, поносами. Нарушается функция периферических нервов и центральной нервной системы. Появляется головокружение, головные боли. Апатия сменяется депрессией. Тугодумие – вплоть до умственной отсталости – тоже проявление болезни. Развиваются психозы, психоневрозы, в тяжёлых случаях отмечаются галлюцинации.
Симптомы пеллагры чаще наблюдаются лиц с недостатком белка в диете. Объясняется это тем, что животные белки содержат оптимальное количество аминокислоты триптофана, витамина В6и некоторых других, необходимых для биосинтеза ниацина.
Гипервитаминоз. У млекопитающих состояния гипервитаминоза РР вызвать не удалось. Данные о способности ниацина накапливаться в тканях отсутствуют. Избыток никотиновой кислоты быстро выводится с мочой.
Оценка обеспеченности организма витамином РР. Обеспеченность организма ниацином достаточно хорошо характеризуется величиной экскреции основных продуктов его катаболизма –N-метилникотинамида и метил-2-пиридон-5-карбоксиамида. В нормальных физиологических условиях концентрация выводимых с мочой метаболитов никотиновой кислоты и никотинамида невелика, но резко возрастает при их избыточном поступлении в организм. Определение количественного содержанияN-метилникотинамида и его пиридонов в моче после применения нагрузочных доз витамина РР до настоящего времени служит единственным критерием обеспеченности организма этим витамином. Таким критерием не могут быть уровни самого витамина РР или его коферментных форм в крови, так как даже при тяжёлой пеллагре их содержание мало отличается от здоровых лиц.
Суточная потребность. Пищевые источники.
Суточная потребность составляет 20-25 мг.
Источником витамина являются животные (особенно печень, мясо) и многие растительные продукты, в первую очередь, рис, хлеб, картофель. Молоко и яйцо содержат следы ниацина. Правда, витамин РР способен синтезироваться клетками организма из триптофана, но этот процесс малоэффективен – из десятков молекул триптофана образуется только одна молекула витамина. Тем не менее, продукты, богатые этой аминокислотой (молоко и яйцо) могут компенсировать недостаточное поступление никотинамида с пищей.
Витамин В6 (Пиридоксин). Антидерматитный витамин.
Химическое строение и свойства. Витамин В6включает группу трёх природных производных пиридина, обладающих одинаковой витаминной активностью: пиридоксина, пиридоксаля, пиридоксамина, отличающихся друг от друга наличием спиртовой, альдегидной или аминогруппы. Витамин В6был открыт в 1934 г. Дьёрди и вскоре синтезирован химически.
Пиридоксин хорошо растворяется в воде и этаноле, устойчив в кислой и щелочной среде, но легко разрушается под действием света при рН=7,0.
Метаболизм. Всосавшись в тонком кишечнике, все формы витамина С током крови разносятся к тканям и, проникая в клетки, фосфорилируются с участием АТФ и пиридоксалькиназ. Коферментные функции выполняют 2 фосфорилированных производных пиридоксина: придоксальфосфат и пиридоксаминфосфат.
Распад коферментов осуществляется путём дефосфорилирования и окисления в тканях. Основным продуктом катаболизма является 4-пиридоксиловая кислота, которая экскретируется с мочой.
Биохимические функции. Витамин В6 часто называют «королём обмена аминокислот»; вместе с тем его коферментные формы участвуют в реакциях, катализируемых почти всеми классами ферментов. Механизм действия всех пиридоксальфосфат-зависимых ферментов сходен: 1/ вначале образуются шиффовы основания между аминокислотой и коферментом (рис ), при этом нитрофильный азот пиридинового кольца действует как своеобразный электронный сток, уводя электроны от аминокислоты и стабилизируя промежуточный интермедиат – карбанион; 2/ будучи неустойчивыми, шиффовы основания (альдимины) далее модифицируются в процессах трансаминирования, декарбоксилирования, изомеризации и многих других превращениях боковой цепи аминокислот.
Коферментные формы витамина В6 входят в состав следующих ферментов:
1. Аминотрансфераз аминокислот, катализирующих обратимый перенос NH2-
группы от аминокислоты на α-кетокислоту. Вэтой реакции образуются новые α-кетокислоты и заменимые аминокислоты.
2. Декарбоксилаз аминокислот, отщепляющих карбоксильную группу аминокислот, что приводит к образованию биогенных аминов (гистамина, серотонина, ГАМК и других), а также моноаминоксидаз, гистаминазы (диаминооксидаза) и аминотрансферазы ГАМК, обезвреживающих (окисляющих) биогенные амины.
Рис. Механизм действия коферментов пиридоксина.
3. Изомераз аминокислот, с помощью которых организм разрушает D-аминокислоты (в состав тканевых белков млекопитающих входят L-аминокислоты).
4. Аминотрансфераз иодтирозинов и иодтиронинов, участвующих в синтезе гормонов щитовидной железы и распаде этих гормонов в периферических тканях.
5. Синтазы δ–аминолевуленовой кислоты, участвующей в биосинтезе гема гемоглобина и других гем-содержащих белков (из глицина и сукцинил~ КоА).
6. Кинурениназы и кинуренинаминотрансферазы, обеспечивающих синтез витамина РР из триптофана.
7. Цистатионинсинтазы (а) и цистатионинлиазы (б) – ферментов, катализирующих синтез и распад цистатионина в следующих реакциях:
СН2-SH CH2-OH CH2 - S - CH2 Н2О NH3 CH3 CH2-SH
||H20 | | | |
C
+ +
|| | | (б) | |
CH-NH2 COOH (а) CH-NH2 COOH C=О COOH
| | |
COOH COOH COOH