- •1.1 Аминокислоты
- •1.1.1 Номенклатура, особенности пространственного и структурного строения природных аминокислот
- •1.1.2 Классификация природных аминокислот
- •1.1.3 Физико - химические свойства природных аминокислот
- •1.1.4 Качественная реакция обнаружения аминокислот
- •1.1.5 Химические свойства аминокислот
- •1.2 Полипептиды и белки
- •1.2.1 Определения « пептид» «белок» Биологические функции пептидов и белков
- •1.2.2. Классификация белков
- •1.2.3 Первичная структура белка
- •1.2.4 Вторичная структура белка
- •1.2.5 Третичная структура
- •1.2.6 Четвертичная структура
- •1.2.7 Физико-химические свойства белка Амфотерность - кислотно- основные
- •1.2.8 Электрофорез белков
- •1.2.9 Денатурация белка
- •1.2.10 Качественные реакции обнаружения белков в биологических объектах.
- •Незаменимые аминокислоты обозначены звездочкой*
- •1.3 Внутриклеточные посредники ( мессенджеры) передачи сигналов
- •1.3.1 Циклические нуклеотиды
- •2.1.1. Окислительно-восстановительные реакции биоорганических соединений
- •2.2. Карбоновые кислоты и их производные – участники реакций цикла Кребса
- •2.2.1 Цикл Кребса
- •2.2.2. Физико-химические и химические свойства in vivo карбоновых кислот – субстратов цикла Кребса
- •2.2.3 Биоактивные вещества -ингибиторы цикла Кребса
- •2.2.4 Строение макроэргических соединений
- •2.2. 5 Строение коферментов оксидоредуктаз
- •3.1 Классификация углеводов: пищевые и природные углеводы
- •3.1.2 Моносахариды
- •3.1.3 Химические превращения моносахаридов in vivo
- •3.2 Олигосахариды
- •3.2.2 Нередуцирующие дисахариды
- •5. 4 Строение витамина в6 и механизм реакции с его участием
- •5.5 Медико - биологическое значение аминокислот
- •5.6 Строение, физмко-химические свойства мочевины.
- •5.7 Азотистые т основания- производные пиримидина (урацил, тимин, цитозин)
- •5.8 Азотистые основания- производные пурина( аденин, гуанин)
- •5.9 Нуклеотиды
2.2. Карбоновые кислоты и их производные – участники реакций цикла Кребса
2.2.1 Цикл Кребса
Цикл Кребса – особая циклическая последовательность превращений трикарбоновых
(лимонной , цис-аконитовой, изолимонной ) и дикарбоновых кислот (янтарной, фумаровой, яблочной, щавелевоуксусной ), в процессе которой создаются условия для синтеза универсального макроэргического соединения АТФ. Цикл начинается с взаимодействия щавелевоуксусной кислоты с активной формой уксусной кислоты АцКоА и заканчивается вновь образованием щавелевоуксусной кислоты.
Последовательность реакций
Щавелевоуксусная кислота + ацетилКоА —> Лимонная кислота (цитрат)
—> цис- аконитовая ——> изолимонная ——> а – кетоглутаровая
——> янтарная ——> фумаровая ——> яблочная ——> щавелевоуксусная кислота
Для понимания свойств этих соединений надо знать классификацию карбоновых кислот
Химическое соединение является карбоновой кислотой, если в его составе есть функциональная карбоксильная группа. Общая формула R-COOH
Карбоновые кислоты классифицируют по нескольким признакам состава и строения:
1. по числу карбоксильных групп :
моно- , ди- , трикарбоновые кислоты и т.д.
в зависимости от строения радикала:
-алифатические предельные ( ациклические, циклические )
- непредельные( содержат одну или несколько кратных связей)
- ароматические ( карбо- и гетероароматические )
3. в связи с присутствием в радикале других функциональных групп :
- гидроксикарбоновые (содержат одну или несколько гидроксильных групп )
- оксокарбоновые (содержат карбонильную группу- альдегидную или кетоновую)
- аминокислоты (содержат одну или несколько аминогрупп).
Активными биоактивными веществами, участниками и метаболитами биохимических реакций, являются все вышеперечисленные представители карбоновых кислот. Удобнее начать изучение субстратов цикла Кребса с лимонной кислоты.
2.2.2. Физико-химические и химические свойства in vivo карбоновых кислот – субстратов цикла Кребса
Лимонная, изолимонная кислоты - гидрокситрикарбоновые кислоты
CООН СООН
| |
НООС- СН2 – С -СН2- СООН НООС- СН-СН-СН2-СООН
| |
ОН ОН
лимонная кислота изолимонная кислота
Лимонная кислота (цитрат) - твердое кристаллическое вещество, растворима в воде.
Принадлежит к наиболее распространенным кислотам растений: в большом количестве находится в соке лимонов (6-8%), в смородине, бруснике, в свекольном соке, хвое, вине. В животных и человеческих клетках образуется в митохондриях. В реакциях in vivo она образуется в реакции соединения (конденсации) АцетилКоА и щавелевоуксусной кислоты.
СООН
|
НООС – СН 2– С -СООН + Н - СН2 - СОSКоА ——> НООС-СН2-С-СН2 -СООН
| | -НSКоА |
О ОН
Образует кислые и средние соли, связывает ионы кальция, ее используют в качестве антикоагулянта , добавляя к препаратам крови для предотвращения свертываемости, поскольку ионы кальция входят в состав факторов свертывающей системы крови.
При дегидратации лимонная кислота превращается в аконитовую (в реакциях цикла Кребса в цис-аконитовую). Гидратация цис - аконитовой сопровождается образованием изомера- изолимонной кислоты (направление реакции соответствует правилам реакции А Е - электрофильного присоединения)
- Н2 О СООН + Н2 О СООН
Лимонная кислота ——> | ——> |
СН2 СН2
| |
С- СООН С - СООН
| | |
С-Н ОН – С - Н
| |
СООН СООН
цис- аконитовая кислота изолимонная кислота
Лимонная и изолимонная кислоты отличаются положением гидроксигруппы: цитрат – третичный спирт, а изоцитрат – вторичный.
NB! Только у изолимонной кислоты гидрокси- группа может окисляться и эта реакция используется в цикле Кребса.
Лимонную кислоту используют в пищевой промышленности при изготовлении соков, напитков, кондитерских изделий, в медицине- добавка в производстве ряда лекарственных препаратов ( цитрамон – против головной боли), стерильный
4-5%раствор цитрата натрия используют для консервирования крови.
Щавелевоуксусная и альфа-кетоглутаровая кислоты – оксодикарбоновые кислоты
Щавелевоуксусная кислота (2- оксобутандиовая, оксоянтарная, ЩУК) Получила свое название в связи с тем, что ее скелет можно условно разделить на две части (фрагменты щавелевой и уксусной кислот)
СН- кислотный центр
НООС – С - СН2 -СООН
фрагмент щавелевой | | фрагмент уксусной
кислоты О кислоты
Существует в кетоновой и енольной формах. Енольные формы - кристаллические вещества, более устойчивы, существуют в виде двух изомеров : цис- и транс.
В растворе в интервале значений рН 6-10 образуется дианион (диссоциация по обеим группам). Анион на 82-88% находится в оксо-форме, на 7-10% в енольной форме
Строение енольной формы Пространственные изомеры енольной формы
НООС – С = СН—СООН
| НО- С - СООН НО - С - СООН
ОН | | | |
НООС — С -Н Н- С – СООН
(1) (2)
транс-гидроксифумаровая цис-гидроксималеиновая
кислота кислота
Восстановление ЩУК приводит к образованию яблочной (2-гидроксибутандиовой , гидроксиянтарной кислоты.).
При декарбоксилировании ЩУК образуется пировиноградная кислота. Максимальная скорость реакции при рН=5,0 - 6,5.
α–Кетоглутаровая (2-оксопентандиовая) – природное кристаллическое вещество, растворимое в воде. В природе два пути образования: в цикле Кребса и из глутаминовой аминокислоты. Возможна кето - енольная таутомерия .
НООС- СН2-СН2-С –СООН <———> НООС- СН2- СН=С-СООН
| | |
О ОН
Характерная реакция декарбоксилирования in vivo и in vitro, образуется полуянтарный альдегид, который в цикле Кребса сразу ферментативно окисляется в янтарную кислоту. Напоминаем, что реакция декарбоксилирования in vitro возможна только для α- и ß- кетокислот ( но не гидроксикислот или енольной формы).
декарбоксилирование и окисление
НООС- СН2- СН2 -С( О)-СООН ———>НООС –СН2 –СН2-СООН + СО2
янтарная кислота
Дикарбоновые кислоты.
Янтарная кислота (бутандиовая, сукцинат) НООС-СН2 -СН2 –СООН, хорошо растворима в воде, биоактивное вещество, относится к насыщенным дикарбоновым кислотам. Выделена из янтаря. Обнаружена в клетках растений, в тканях всех животных, содержится в митохондриях. Один из компонентов реакций цикла Кребса. Превращение in vivo янтарной кислоты в фумаровую является примером обратимой реакции дегидрирования ( окисления) с участием активированных атомов водорода СН2- кислотного центра и стереоспецифичной реакции, поскольку образуется только один изомер, имеющий транс-строение.
фермент
НООС-СН2- СН2 - СОООН + ФАД <———> ФАДН2 + НООС-СН = С Н -СООН
транс-бутендиовая фумаровая
Сложная молекула флавинадениндинуклеотида (ФАД ) является окислителем ( аналогично молекуле НАД +), содержит в своем составе рибофлавин - витамин В2.
Эту реакцию тормозит (ингибирует) малоновая кислота, в составе которой также две карбоксильные группы, но только один -СН2- кислотный центр.
Скелет янтарной кислоты имеют другие биоактивные соединения: яблочная , щавелевоуксусная кислоты, аминокислота аспарагиновая.
Все перечисленные кислоты превращаются друг в друга , обеспечивая энергетический и пластический обмен в клетке :
янтарная ↔ фумаровая ↔ яблочная ↔ щавелевоуксусная ↔ аспарагиновая.
| ……последовательность реакций цикла Кребса…………|
В клетках животных и человека янтарная кислота вместе с аминоуксусной кислотой (глицином) необходимы для синтеза сложной гетероциклической системы - гема., который состоит из 4 циклов пиррола.
Соль янтарной кислоты –сукцинат натрия- применяется как препарат, обладающий общим стимулирующим действием и выпускается в нескольких лекарственных формах: «Сукцинат Кардиа» - для профилактики нарушения сердечной деятельности , «Сукцинат Геронто» - для пожилого возраста, «Сукцинат Бэби» - для детей.
Бутендиовые кислоты – ненасыщенные дикарбоновые кислоты.
К ним относятся малеиновая (цис - бутендиовая) и фумаровая (транс - бутендиовая) кислоты – геометрические изомеры, кристаллические вещества. Малеиновая кислота хорошо растворима в воде, а фумаровая- трудно.
Фумаровая кислота- биологически активное соединение - содержится в грибах, лишайниках, клетках растений, выделена из повилики (Fumaria officinalis), в тканях животных и человека образуется в митохондриях в цикле Кребса. Малеиновая кислота- токсичное соединение для животных и человека, в природе не обнаружена.
Не может быть катализатора, осуществляющего обратный переход фумаровой кислоты в малеиновую.
Н Н Н СООН
\ / УФ, Т0, R · \ /
С = С ——————> С= С более устойчивая форма
/ \ / \
НООС СООН НООС Н
малеиновая кислота фумаровая кислота
Обе кислоты восстанавливаются в янтарную кислоту., in vivo это происходит с фумаровой кислотой с участием молекулы ФАДН2
НООС- СН=СН - СООН + ФАДН2 —фермент—>НООС - СН2 –СН 2– СООН +ФАД
фумаровая кислота янтарная кислота
В ферментативных реакциях in vivo присоединение воды (гидратация) к фумаровой кислоте приводит к образованию одного определенного пространственного изомера яблочной кислоты (D или L) .
НООС- СН=СН - СООН + НОН — (фермент ) ———> НООС - СН –СН 2– СООН
|
ОН
яблочная кислота
( в биохимии называют – малат)
Гидроксидикарбоновые кислоты (содержат две карбоксильные группы)
Моногидроксидикарбоновая кислота – 2-гидроксибутандиовая (оксиянтарная,. яблочная кислота, малат) – биологически активное соединение, присутствует в тканях животных, человека, в растениях (много в рябине, барбарисе). Впервые выделена К.Шееле в 1785 г. из незрелых яблок
НООС – СН2 – СН – СООН
|
ОН
Существует в виде двух стереоизомеров и рацемической смеси. L-малат образуется в цикле Кребса. Присутствие гидроксильной группы делает возможным две реакции: элиминирования и окисления.
Обратимая реакция элиминирования (дегидратации) приводит к образованию более устойчивого транс-изомера бутендиовой кислоты – фумаровой. В условиях in vivo эта реакция происходит в процессе цикла Кребса в обратном направлении: из фумаровой кислоты образуется яблочная..
НООС-СН( ОН ) -СН2 –СООН <——фермент ——> НООС-СН=СН-СООН + Н2 О
фумаровая кислота
транс-бутендиовая
Обратимая реакция окисления малата сопровождается образованием кетокислоты : 2-оксобутандиовой (оксоянтарной, щавелевоуксусной). Яблочную кислоту в медицине применяют в составе слабительных средств и препаратов от хрипоты.
НООС- СН-СН2-СООН + НАД + <——фермент ——> НООС-С –СН2 -СООН
| | |
ОН О
щавелевоуксусная кислота ( ЩУК)
Все субстраты цикла Кребса являются достаточно сильными кислотами, более сильными по сравнению с угольной кислотой, и вносят заметные изменения в состояния кислотно-основного равновесия в клетке и организме.
Таблица
Значение величин рКа биологически активных кислот цикла Кребса,
гликолиза ( для многокарбоновых кислот указано значение для ионизации
первой карбоксильной группы)
Кислота |
Значение рК а |
Кислота |
Значение рК а |
изолимонная |
3,29 |
фумаровая |
3,02 |
лимонная |
3,13 |
щавелевоуксусная |
2.22 |
молочная |
3,73 |
яблочная |
3,46 |
пировиноградная |
2,39 |
янтарная |
4,21 |