БИОХИМИЯ А.Л. Новокшанова

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная
академия имени Н.В. Верещагина»
А.Л. Новокшанова
БИОХИМИЯ
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию
в области технологии сырья и продуктов животного происхождения
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по направлению подготовки 260200.62 «Продукты питания
животного происхождения» уровня бакалавриата и специальности
260303.65 «Технология молока и молочных продуктов»
Вологда–Молочное
2013
УДК 577
ББК 28.072
Н744
Рецензенты:
директор ГНУ ВНИИМС Россельхозакадемии,
доктор биологических наук, профессор, академик РАСХН
Ю.Я. Свириденко,
руководитель группы стандартизации молочного союза России (РСПМО),
ответственный секретарь ТК 470/МТК 532 «Молоко и продукты переработки
молока», национальный секретарь Российского комитета международной
молочной федерации, канд. техн. наук
Л.В. Абдуллаева,
заведующий кафедрой общей и прикладной химии ВГМХА им. Н.В. Верещагина
профессор, канд. техн. наук
О.В. Охрименко
Новокшанова А. Л.
Н744
Биохимия: учеб. пособие / А.Л. Новокшанова.– Вологда-Молочное:
ИЦ ВГМХА, 2013. – 212 с.
ISBN 978-5-98076-168-4
Современные достижения биохимии составляют основу любой пищевой технологии, поэтому специалист по переработке продуктов питания животного происхождения должен иметь целостное представление о процессах и явлениях, происходящих в природе, владеть современными научными методами познания природы
для решения задач, возникающих при выполнении профессиональных функций.
Издание содержит материалы о компонентном составе живой клетки, роли белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других биомолекул в функционировании организма. Главная цель пособия – сформировать у студентов твердые
знания об особенностях и многообразии обмена веществ, о взаимосвязи метаболизма макромолекул на субстратном, энергетическом и генетическом уровнях.
Учебное пособие предназначено для студентов технологического факультета,
изучающих курс «Биохимия».
УДК 577
ББК 28.072
ISBN 978-5-98076-168-4
2
© Новокшанова А.Л., 2013
© ИЦ ВГМХА, 2013
Перечень принятых сокращений
АО – азотистые основания
АПБ – ацилпереносящий белок
АТФ – аденозинтрифосфат
АФК – активные формы кислорода
ВЖК – высшая жирная кислота
ВМС – высокомолекулярные соединения
ВОЗ – Всемирная организация здравоохраниения
ДАГ – диглицерид (диацилглицерид)
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота
ē – электрон
ИЭТ – изоэлектрическая точка
КоА – кофермент А
МАГ – моноацилглицерид (моноацилглицерид)
МНЖК – мононенасыщенные жирные кислоты
Н+ – ион водорода (протон)
Hb – гемоглобин
НЖК – низшая жирная кислота
НАД – никотинамидадениндинуклеотид
НАДФ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат
НК – нуклеиновая кислота
ПВК – пировиноградная кислота
ПОЛ – перекисное окисление липидов
ПНЖК – полиненасыщенные высшие жирные кислоты
ПФЦ – пентозофосфатный цикл
РНК – рибонуклеиновая кислота
ТАГ – триацилглицерид
ФГА – фосфоглицериновый альдегид
ФГК – фосфоглицериновая кислота
ФМН – флавинмононуклеотид
ФАД – флавинадениндинуклеотид
ЦНС – центральная нервная система
ЦТК – цикл трикарбоновых кислот
ЩУК – щавелевоуксусная кислота
ЭПС – эндоплазматическая цепь
3
Введение
Биологическая химия – наука о качественном составе, количественном
содержании и преобразованиях в жизненных процессах соединений, образующих живую материю.
Изначально, находясь на стыке двух наук, биохимия все больше расширяет область научных интересов и постоянно наращивает свой потенциал,
который служит фундаментальной базой для многих наук. Современная биохимия успешно интегрируется в такие области знания, как физиология, генетика, цитология, микробиология, медицина, молекулярная биология и др.
Реальность последних десятилетий отличается интенсивной химизацией сельского хозяйства, промышленности, быта и пищевых технологий.
Возрастание антропогенных нагрузок, значительное вмешательство в природу, ускорение ритма жизни, стрессы, нарушения питания приводят к тому, что треть всех заболеваний человека являются алиментарнозависимыми. Именно биохимия позволяет раскрыть механизмы химического воздействия различных веществ на живой организм даже на уровне воспроизведения себе подобных.
В этой связи, студентам, обучающимся по направлению подготовки
«Продукты питания животного происхождения» в процессе изучения биохимии крайне важно получить конкретные представления о компонентах живой клетки, их химическом строении, физических свойствах, функциях в организме. У студентов должны сформироваться твердые знания об особенностях и многообразии обмена веществ и нарушениях в метаболизме белков,
липидов, углеводов и т.д. При этом важно понять закономерности процессов
метаболизма, приводящие к глубокой деструкции макромолекул (катаболизм) или к синтезу их из простейших соединений (анаболизм). Эти закономерности позволяют проследить тесную взаимосвязь метаболизма макромолекул на субстратном, энергетическом и генетическом уровнях. Особое внимание обращается на специфику протекания реакций в живой материи, характеризующееся запрограммированностью во времени и пространстве.
Рассмотрение механизмов действия ферментов позволит студентам
увидеть те же закономерности химических превращений веществ, с которыми они знакомились при изучении механизмов реакций в органической и
физической химии. Знание биологического окисления, нуклеиновых кислот
и их функционирования показывает высочайший уровень упорядоченности
живой материи на уровне биомолекул, а сведения о гормонах демонстрируют механизм тончайшей согласованности систем всего организма.
В любом случае знание биохимии полезно любому грамотному специалисту, имеющему отношение к питанию населения.
4
ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРЕДМЕТ
ИССЛЕДОВАНИЯ БИОХИМИИ
С химической точки зрения и живые и неживые объекты состоят из
атомов и молекул.
Но в живых организмах и маленькие и большие молекулы, а также целые структуры непрерывно обновляются: распадаются и синтезируются
вновь.
Только живые организмы способны давать жизнь другим организмам,
причем таким же, как они сами. Поэтому для Химии Жизни недостаточно
просто знать набор атомов и молекул, из которых построены организмы.
Биохимия изучает качественный и количественный состав и динамические превращения соединений, образующих живые организмы.
Живые организмы обладают набором характерных признаков:
- высокий уровень структурной организации (упорядоченность);
- способность к эффективному преобразованию и использованию энергии;
- постоянный обмен веществ с окружающей средой;
- самовоспроизведение и передача наследственных свойств.
Эти поразительные качества живой материи до середины XIX века
объясняли наличием сверхестественных сил.
Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер синтезировал мочевину – вещество, которое, считали, содержится только в живом организме.
За этим опытом последовали другие, показавшие, что молекулы живого вещества можно получить, не привлекая таинственные силы.
Как самостоятельная дисциплина биохимия оформилась во второй половине XIX века. Именно в этот период появляются первые кафедры, учебники, журналы, курсы биохимии для медиков и биологов.
Современная биохимия сформировалась на рубеже XIX–XX веков.
Она возникла как результат взаимодействия обширной области знаний
целого ряда естественных наук: биологии, физиологии, химии, медицины и
др. Среди интегральных наук биохимия одна из самых старейших и заслуженных.
С разработкой новейших методов исследования, таких как рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, различные виды хроматографии, спектрофотометрии, биохимия накопила огромный банк данных,
благодаря чему сделала невероятный скачок в своем развитии и гигантский
прорыв в мире научного познания вообще.
В последние десятилетия биохимия находится на острие научного познания и служит практической и теоретической базой для биоорганической
и бионеорганической химии, биофизики, молекулярной биологии, медицинской биохимии, биотехнологии и других областей науки.
5
В зависимости от объекта исследования различают биохимию человека, животных, растений, микроорганизмов и др.
В зависимости от подхода к изучению живой материи биохимию подразделяют:
- статическая – изучает качественный и количественный состав организмов;
- динамическая – изучает превращения органических соединений и
энергии в процессе жизнедеятельности.
Оба подразделения, по объекту и подходу, довольно условны, поскольку в составе различных объектов и протекающих в них биохимических процессах много общего. Поэтому результаты исследований, проведенных на
микробах, растительных или животных тканях и клетках, взаимно дополняют и обогащают друг друга.
Изучение ферментов, гормонов, витаминов, минеральных веществ создало прочную базу для решения многих частных проблем. Все эти исследования находят применение в различных прикладных областях и народном
хозяйстве в целом.
Привлечение знаний биохимии успешно используется в повышении
урожайности сельскохозяйственного производства, для увеличения рентабельности пищевой промышленности, получения новых препаратов фармацевтической отрасли. Современная медицина, здравоохранение, экология
целиком опираются на биохимические разработки.
Вопросы для самоконтроля:
1. Определение биохимии и этапы ее развития.
2. Основные признаки живой материи.
3. Значение биохимии в биологии, медицине, сельском хозяйстве и промышленности.
4. Разделы биохимии.
6
ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Структурной основой живой материи является клетка. Функционирование различных клеток достаточно хорошо изучено на разных уровнях:
элементном, молекулярном и на уровне клеточных биокомплексов – органелл.
С помощью меченых атомов доказано, что атомы из одних молекул после ряда превращений включаются в состав других молекул. Обмениваются
отдельные атомы и целые группы атомов. Сложнейшие структуры распадаются и тут же создаются заново. Например, кроветворные органы человека производят 80 000 000 эритроцитов каждую секунду. В состоянии равновесия такое же количество эритроцитов и разрушается. Этот колоссальный
темп динамических процессов кажется еще более удивительным, если
вспомнить, что эритроцит – не простая молекула, а сложная частица, имеющая собственную тонкую структуру.
Человек, как и другие гетеротрофы1, исключительно зависит от питания. Поэтому в курсе «Биохимия» по направлению подготовки «Продукты
питания животного происхождения» большое значение уделяется не только
составу живых организмов, но и составу компонентов пищи.
2.1 Элементный состав живых организмов
Всего в живых организмах открыто около 70 химических элементов.
Более 40 из них присутствуют в составе любого организма, независимо от
видовой принадлежности и уровня организации. Такие химические элементы называют биогенными.
Прямой зависимости между распространением химических элементов
в неорганической и органической природе нет, но определенные закономерности существуют.
Решающее значение в построении живой материи играют те элементы,
которые доступны для биосферы. Они образуют растворимые в воде и газообразные соединения. К таким элементам относятся C, N, H, O, S, P. Широко распространенные в неорганической природе Si, Al, Fe не дают водорастворимых соединений и в составе живых организмов встречаются в ничтожных количествах.
Полагают, что C, N, H, O, S, P составляют вместе более 99% живого
вещества благодаря наличию у них особых свойств. Во-первых, эти элементы, за исключением водорода образуют кратные связи, что значительно
увеличивает разнообразие возникающих соединений и их уникальные
качества. Во-вторых, атомы этих элементов имеют достаточно малые размеры и, следовательно, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межатомными расстояниями. В результате такие молекулы более
________
1
– От гетеро… и греч. trophe – пища.
7
устойчивы к действию внешних реагентов. Третья особенность касается в
основном Р, S и в некоторой степени N. С участием этих элементов образуются особые макроэргические связи, при расщеплении которых выделяется
повышенное количество энергии.
Также прослеживается ряд зависимостей между биологической ролью
элементов и строением атома и, следовательно, их местом в периодической
системе Менделеева.
Органический мир построен главным образом из сравнительно легких
элементов. В большинстве случаев при переходе от легких к тяжелым элементам в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов и снижается их содержание в биомассе. Например, Zn необходим
для функционирования некоторых биомолекул, а Cd и Hg – это яды живого
организма.
Элементы некоторых подгрупп могут взаимозаменять друг друга в
биологических объектах. Элементы восьмой подгруппы – Fe, Co, Ni являются преимущественно компонентами биоактивных соединений и т.д.
По количественному содержанию в организме все биогенные элементы
делят на две группы: макро- и микроэлементы. Концентрация макроэлементов в организме превышает 0,001%. К категории макроэлементов помимо C, N, H, O, S, P относят Ca, P, Mg, K, Na, Cl. Содержание микроэлементов в организме человека составляет 0,001–0,000001%. В группу микроэлементов входят Fe, Zn, Cu, Mn, Se, Cr, Mo, Co, Si, F, I.
2.2 Молекулярный состав живых организмов
Химические элементы, входящие в состав живых организмов, а также
биогенные элементы, поступающие с продуктами, напитками и водой, задерживаются в организме человека в виде специфических соединений. По
природе вещества эти соединения можно разделить на три группы: вода,
органические и неорганические вещества (рис. 1).
Рис. 2.1. Содержание воды, органических
и неорганических веществ в животном организме
8
2.2.1 Вода
С точки зрения живого организма вода обладает абсолютно уникальными свойствами. Отличие свойств воды проявляется и в сравнении со
свойствами других гидридов элементов VI группы таблицы Д.И. Менделеева (Н2S, Н2Sе, Н2Те).
Например, температуры кипения этих элементов возрастают с увеличением массы атома элемента и составляют для Н2S, Н2Sе, Н2Те минус
60ºС, минус 41ºС, минус 2ºС соответственно. Температура кипения воды
100ºС явно выбивается из этой зависимости.
Существуют и другие примечательные особенности. Плотность воды
уменьшается в интервале от 0 до 4ºС, а потом снова увеличивается. При затвердевании вода расширяется, в то время как большинство веществ при
этом сжимается. В обычных жидкостях молекулы хаотично движутся, а
данные рентгеноструктурного анализа воды показывают, что она имеет
признаки упорядоченной структуры.
Многие свойства воды объясняются ее строением. Обе О–Н связи в
молекуле полярны. После их образования у кислорода остаются неиспользованными 2р и 2s электроны. Они создают дополнительный избыток электричества на кислороде, что влияет на угол между связями. Он равен не 90º
и не 180º, а 104,5º. В результате молекула воды становится сильно полярной
со значительным дипольным моментом, то есть имеет как положительный,
так и отрицательный заряд (рис. 2).
Рис. 2.2. Изображение молекулы воды:
а – структурное; б – в виде диполя
На долю воды приходится около 70% массы клетки. Содержание воды
в биологических жидкостях (кровь, лимфа, слюна) еще выше – до 90–99%.
Всю воду, содержащуюся в организме человека принято делить на
внутриклеточную (2/3) и внеклеточную (1/3). Например, у человека массой
70 кг общий объем воды составляет 42 л, из них доля внутриклеточной
воды – 28 л, а внеклеточной – 14 л.
Подсчитано, что в среднем человек теряет за сутки 2,6 л воды. 6/7
этого объема восполняется с пищей (экзогенная вода). Оставшаяся 1/7
часть является эндогенной, то есть образуется при окислении веществ.
Обмен воды регулируется ЦНС и гормонами гипофиза: диуретическим
и антидиуретическим (вазопрессин), а также рядом ионов. Катион Nа+
накапливает воду в клетках и тканях, К+ и Са2+ – наоборот.
По состоянию вся вода может быть свободной или связанной (табл. 2.1).
9
Таблица 2.1 – Состояние воды
Вода
Свободная
Образует структурированную систему за
счет дипольного момента.
В поле действия иона вода образует
гидрофильную оболочку, при этом
структура самой воды разрушается.
Гидратация отрицательная, если
упорядоченность молекул воды вблизи
иона меньше, чем в чистой воде;
характерна для К+, Сl–, I– и др.
Гидратация положительная, если
упорядоченность молекул воды вблизи
иона больше, чем в чистой воде;
характерна для Na+, Li+, Са+ и др.
Связанная
Образуется за счет водородных связей. На
1 молекулу НК приходится 1 000 000
молекул воды, на 1 молекулу белка –
40 000, на 1 молекулу липида – 1500.
Прочно связанная вода формирует
гидрофильные
оболочки
молекул
и
биокомплексов,
имеет
температуру
замерзания примерно минус 25ºС.
Слабо связанная вода образует диффузные
слои вокруг гидрофильных оболочек, имеет
температуру замерзания близкую к 0ºС.
Из-за своей сильной полярности молекулы воды вмешиваются во все
протекающие в водной среде реакции, активно взаимодействуют с другими
молекулами, выполняя при этом ряд функций:
- структурная (пластическая), так как вода участвует в
формировании структур отдельных биомолекул и целых надмолекулярных
комплексов;
- обменная – вода не просто растворитель и среда для протекания
реакций, она непосредственно участвует в обмене веществ, например в
реакциях гидратации, дегидратации, гидролиза и др;
- транспортная – благодаря большой подвижности, низкой вязкости
переносит различные вещества, выводит из организма продукты распада;
- регуляторная – участвует в регуляции температуры тела, поскольку
обладает высокой теплопроводностью и значительным поглощением тепла
при испарении.
2.2.2 Неорганические вещества
Неорганические вещества или минеральные соединения, к которым относятся соли, основания, кислоты, составляют лишь 1,0–1,5% общей массы
животного организма.
Минеральные вещества в тканях и клетках организма человека находятся как в свободном, так и в связанном состоянии. Например, в костной,
хрящевой ткани и дентине они представлены прочными нерастворимыми
солями угольной, ортофосфорной и других кислот. Многие металлы соединяются с различными органическими молекулами и находятся в организме
в виде комплексных ионов. Комплексообразование иона с органическими
молекулами или другими ионами сопровождается глубоким изменением
свойств иона, и прежде всего его каталитической активности.
10
Многие элементы входят в состав биоорганических соединений.
Например, железо – компонент гемоглобина, миоглобина, цитохромов и
других ферментов. Фосфор – один из структурных компонентов нуклеиновых кислот, фосфолипидов, макроэргических соединений и др. Сера есть в
составе некоторых аминокислот и большинстве белков, а также в активных
центрах ряда ферментов. Йод – компонент гормонов щитовидной железы.
В различных биологических жидкостях (табл. 2.2) – крови, лимфе, пищеварительных соках многие минеральные вещества находятся в свободном состоянии или в ионизированной форме.
Таблица 2.2 – Концентрация основных ионов в клеточном содержимом и
внеклеточных жидкостях (по А. Е. Строеву)
Ионы
+
Na
К+
Са2+
Mg2+
–
Cl
НСО3РО32SО42Органических кислот
Белков
Содержание
внутри клетки, %
Содержание вне клетки, %
межклеточная
плазма
жидкость
Катионы
7,5
75,0
2,5
15,0
92,7
3,0
3,0
1,3
94,0
2,7
2,0
1,3
69,0
17,0
1,4
0,6
2,0
10,0
76,0
19,0
1,4
0,7
2,0
0,6
Анионы
7,5
5,0
50,0
10,0
2,5
25,0
Минеральный состав внутриклеточной жидкости, по мнению ученых,
подобен составу доисторического моря и строго поддерживается на одном
уровне, даже если при этом приходится поглощать химические элементы из
других тканей, например, костной.
В целом организм подчиняется физико-химическому закону электронейтральности: суммы положительных и отрицательных зарядов ионов
должны быть равны. Для соблюдения этого закона в организме не хватает
некоторого количества неорганических анионов. Этот недостаток отрицательных зарядов компенсируют анионы органических кислот, аминокислот,
белков и нуклеиновых кислот.
Минеральные вещества и микроэлементы относят к микронутриентам. Это пищевые вещества, которые содержатся в пище в очень малых
количествах – миллиграммах или микрограммах. Они не являются источниками энергии, но участвуют в усвоении пищи, регуляции функций, осуществлении процессов роста, адаптации и развития организма.
11
2.2.3 Органические вещества
Второй по численности вид соединений – органические вещества. По
структуре их можно условно разделить на мономеры и полимеры.
Мономерами являются соединения, традиционно изучаемые в курсе
органической химии: спирты (оксисоединения), альдегиды и кетоны (оксосоединения), карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, амины, гетероциклы.
Мономеры дают множество производных: оксиальдегиды, оксикетоны,
аминокислоты и др. Из них и построены различные биологически важные
соединения, как низкомолекулярные, например, витамины, так и высокомолекулярные – биополимеры (табл. 2.3).
Таблица 2.3 – Примеры биополимеров и их мономерных звеньев
Мономер
Биополимер
Моносахарид (полиоксиальдегид)
Полисахариды
Аминокислота
Белки
Нуклеотид
Нуклеиновые кислоты
Все многообразие живого мира построено из нескольких небольших
молекул. К ним относят 20 аминокислот, пять азотистых оснований, сахар,
глицерин, жирную кислоту и холин. Эти молекулы универсальны. Они
служат строительными блоками для организмов любых видов.
На долю органических веществ в тканях животного организма приходится в среднем 28,5% общей массы.
Белки, жиры и углеводы, а также воду относят к макронутриентам –
пищи. Эти вещества, необходимы человеку в количествах, измеряемых
граммами, обеспечивают пластические, энергетические и иные потребности
организма. Они определяют пищевую ценность продуктов.
Именно органические вещества и их превращения в живой материи являются предметом изучения биохимии.
Вопросы для самоконтроля:
1. Из каких химических элементов построены живые организмы?
2. Характеристика основных классов биогенных химических соединений.
3. Как подразделяют биогенные элементы по количественному содержанию в организме?
4. Почему вода играет исключительно важную роль в жизнедеятельности организма?
5. Что такое свободная и связанная вода?
6. Какие функции выполняет вода в организме?
7. Что такое неорганические и органические вещества?
8. Приведите примеры органических молекул.
9. Что такое микронутриенты? Макронутриенты?
10. Какие вещества определяют пищевую ценность продуктов?
12
ГЛАВА 3. АМИНОКИСЛОТЫ
Всего известно более 200 аминокислот. Большая часть из них встречается редко, в отдельных видах белков. Такие аминокислоты называют минорными. Лишь 20 аминокислот есть в составе любого белка. Такие аминокислоты называют протеиногенными1. У этих аминокислот есть несколько
общих признаков: одинаковый скелет, положение аминогруппы, сходство
физико-химических свойств.
Аминокислоты – это бифункциональные соединения. Они сочетают в себе свойства аминов, содержащих аминогруппу, и свойства
карбоновых кислот, содержащих, карбоксильную группу.
Все протеиногенные аминокислоты можно представить одной общей
формулой (рис. 3.1). Подмечено, что NH2-группа принадлежит α-углеродному атому, поэтому аминокислоты, входящие в состав белков, часто
называют α-аминокислоты2. Отличаются аминокислоты только строением
органической группы R, ка видно из табл. 3.1.
Рис. 3.1. Общая формула α-аминокислоты
Исключение составляет аминокислота пролин, которая фактически является не амино-, а иминокислотой.
Любую аминокислоту можно назвать в соответствии с систематической номенклатурой IUPAC, но, как правило, пользуются исторически сложившимися названиями, которые зачастую связаны с источником, из которого впервые была выделена аминокислота.
Аспарагиновую кислоту в 1806 году получили из сока аспарагуса
(спаржа), глутаминовую кислоту – из клейковины пшеницы (от лат. gluten –
клей). Цистеин выделили в 1810 году из камней мочевого пузыря (от гр. –
kýstis –пузырь). Тирозин – от гр. (сыр), так как обнаружен в казеине, основном белке сыра. Аргинин впервые получен в виде соли серебра (лат. argentum – серебро). Глицин так назван за сладкий вкус (гр. glycys – сладкий).
Лейцин – одна из самых распространенных аминокислот в яичном белке и
названа от гр. leukós – белый. Лизин получила название благодаря хорошей
растворимости в воде (от гр. lysis – растворение, разрушение, распад). Гистидин выделена из белков шелкового волокна (гр. – ткань). Серин тоже содержится в шелке (лат. sericus – шелковый).
_______
1
2
– Другое название белков протеины от греч. protos – первый, главный.
– α-углеродным называют атом, расположенный рядом с главной функциональной группой.
13
Таблица 3.1 – Протеиногенные аминокислоты
Аминокислота
Сокращенные названия
Глицин
трехбуквенное
Гли
однобуквенное
G
Аланин
Ала
A
Серин
Сер
S
Цистеин
Цис
C
Треонин
Тре
T
Метионин
Мет
M
Валин
Вал
V
Лейцин
Лей
L
14
Формула
Аминокислота
Сокращенные названия
трехбуквенное
Илей
однобуквенное
I
Фенилаланин
Фен
F
Тирозин
Тир
Y
Триптофан
Три
W
Пролин
Про
P
Изолейцин
Формула
15
Аминокислота
Сокращенные названия
Аспарагин
трехбуквенное
Асн
однобуквенное
N
Глутамин
Глн
Q
Аспарагиновая
кислота
Асп
D
Глутаминовая
кислота
Глу
E
Лизин
Лиз
K
Аргинин
Арг
R
Гистидин
Гис
H
16
Формула
У преимущественного большинства аминокислот проявляются оптические свойства, поскольку α-углеродный атом является асимметричным1. В
таком случае у аминокислоты есть два изомера – L и D (рис. 3.2). Они отличаются положением NH2-группы по отношению к углеводородной цепочке:
в D-формах NH2-группа расположена справа, у L-изомеров – слева.
Рис. 3.2. Пример оптических изомеров
В природных белках обнаруживают только L-формы аминокислот, что
часто подчеркивают в названии. D-изомеры аминокислот встречаются
крайне редко (в белках клеточных стенок микроорганизмов, в антибиотиках).
Нестандартные (минортные) аминокислоты, как правило, являются
производными стандартных (протеиногенных) аминокислот (оксипролин,
оксилизин) или имеют специфическое строение. Нестандартные аминокислоты могут входить в состав белков или пептидов, выполнять регуляторную
или метаболическую функцию.
Например, нестандартной «двадцать первой» аминокислотой является
селеноцистеин. Отличается от обычного цистеина тем, что вместо атома серы содержит атом селена. Селеноцистеин является обязательным компонентом нескольких важных ферментов в организме животных, включая человека.
3.1 Классификация аминокислот
По мере открытия аминокислот, изучения их структуры и свойств,
пришлось систематизировать эти знания. В настоящее время существует
несколько способов классификации аминокислот в зависимости от выбранного параметра оценки.
Если основным критерием является строение аминокислоты, то такой
способ систематизации называют структурная классификация (табл. 3.2).
С позиций структуры все аминокислоты делят на несколько групп.
_______
1
– Оптической активностью обладают вещества, в молекуле которых имеется хотя бы один
асимметричный углеродный атом (помечают звездочкой). У такого атома углерода все четыре
заместителя различны. Оптически активные вещества вращают плоскость поляризованного света. Свойство используется для качественного и количественного определения концентрации оптически активных веществ поляриметрический методом.
17
Таблица 3.2 – Классификация аминокислот по структуре
Представители
Примеры
Ациклические незамещенные
Глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин
Ациклические замещенные:
- спиртоаминокислоты
Серин, треонин
- тиоаминокислоты
Цистеин, метнонин
- карбоксиаминокислоты
Аспарагиновая, глутаминовая
- диаминокислоты
Лизин, аргинин
Циклические:
- ароматические
Фенилаланин, тирозин
- гетероциклические
Триптофан, гистидин
- иминокислоты
Пролин, оксипролин
Величина и форма радикалов аминокислот в дальнейшем определяют
рельеф поверхности белковых молекул. Кроме этого от строения радикалов
зависят функциональные свойства белков – растворимость, эластичность,
активность и др.
Оценивая физико-химические свойства аминокислот по электрохимической классификации (табл. 3.3), их подразделяют на три группы.
Таблица 3.3 – Электрохимическая классификация аминокислот по физикохимическим свойствам
Представители
Примеры
Нейтральные
Глицин, аланин, серин, цистеин, треонин, метионин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, тирозин, триптофан, пролин, оксипролин
Кислые
Аспарагиновая, глутаминовая
Основные
Лизин, аргинин, гистидин
У нейтральных аминокислот по одной NH2- и СООН-группе. У кислых
аминокислот – две СООН-группы. В основных аминокислотах NH2-групп
больше, чем других функциональных групп.
Сравнительный анализ различных природных белков показывает, что в
большинстве из них кислые аминокислоты преобладают над основными.
Существует еще физиологическая или биологическая классификация,
в соответствии с которой все аминокислоты делят на заменимые и незаменимые с точки зрения их значимости для организма (табл. 3.4). Заменимые
аминокислоты синтезируются в организме, поэтому дефицита в них не бы18
вает. Незаменимые, как следует из названия, нельзя ничем заменить, поскольку они не синтезируются в организме и обязательно должны поступать с продуктами.
Таблица 3.4 – Классификация аминокислот по биологической значимости
Представители
Заменимые
Незаменимые
Примеры
Глицин, аланин, серин, цистеин, тирозин, пролин, оксипролин, аспарагиновая, глутаминовая, аргинин, гистидин
Треонин, метионин, валин, лейцин, изолейцин, фенилалаланин, триптофан, лизин
Белки, содержащие весь набор незаменимых аминокислот, считаются
биологически полноценными. К ним относят белки животного происхождения, которые содержатся в яйце, молоке, рыбе, мясе. Белки растительного
происхождения, содержащиеся в таких продуктах, как орехи, злаки, бобы и
пр., не включают все незаменимые аминокислоты, поэтому не относятся к
биологически полноценным белкам.
3.2 Физико-химические свойства аминокислот
Особенности строения аминокислотных молекул обусловливают ряд
их уникальных свойств. Форма, в которой аминокислоты представлены в
таблице, существует практически только в теории и на бумаге. В реальной
действительности аминокислоты в клетке, биологической жидкости, живом
природном материале всегда находятся в воде или хотя бы соприкасаются с
водной средой – раствором.
В растворе СООН-группы диссоциируют, а NH2-группы принимают на
себя протоны (Н+), благодаря свободной паре электронов на атоме азота
(рис. 3.3). В результате молекулы аминокислот переходят в ионизированную форму, которая иначе называется биполярный ион, или zwitter1 ион.
Рис. 3.3. Образование биполярного иона
В результате, в зависимости от строения радикала, аминокислоты могут иметь определенный заряд.
_______
1
– От нем. zwitter – гибрид, гермафродит.
19
Радикалы глицина, аланина, валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина и триптофана неполярны. Поэтому в нейтральной среде суммарный
заряд этих аминокислот равен нулю. Радикалы остальных аминокислот полярны в той или иной степени из-за присутствия различных функциональных групп – ОН-, SH-, NH2-, СООН.
Но даже эти аминокислоты при определенном значении рН среды могут иметь нулевой заряд. Такое состояние называют изоэлектрической
точкой.
Благодаря наличию в одной молекуле противоположных по своим химическим свойствам групп – NH2- и СООН-, аминокислоты обладают двойственным характером. С одной стороны проявляют свойства кислот: диссоциируют, образуют соли с основаниями (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Аминокислота проявляет свойства кислоты
С другой стороны нейтрализуют кислоты (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Аминокислота проявляет свойства основания
Это свидетельствует о типичном амфотерном характере аминокислот.
Обе функциональные группы аминокислот, и карбоксильная и аминогруппа, могут давать свойственные им реакции: образование сложных эфиров, амидов, ангидридов и др., которые традиционно рассматриваются в
курсе «Органическая химия».
Такие реакции встречаются и в живой природе, но в большей степени
характерны для различных лабораторных и промышленных синтезов.
Однако для любого живого организма характерны реакции разрушения
или переноса NH2-группы и разрушения СООН-группы.
Деструкция NH2-группы называется дезаминирование, сопровождается выделением NH3 и может протекать разными путями.
20
Рис. 3.6. Виды дезаминирования аминокислот
Окислительное дезаминирование – наиболее распространенный вариант. При этом аминокислота преобразуется в кетокислоту (оксокислоту).
Гидролитическое дезаминирование происходит при участии воды с
образованием спиртокислоты (оксикислоты).
Восстановительное дезаминирование возможно в присутствии атомов водорода или в бескислородной среде.
Большое значение имеют также реакции переаминирования – обмен
NH2-группы с аминокислоты на карбонильный атом кетокислоты.
Иными словами, аминокислота и кетокислота обмениваются своими
радикалами (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Схема реакции переаминирования
Это лишь схемы процессов, которые могут протекать как в лаборатории, так и в природных условиях, но источники кислорода, водорода и воды
при этом существенно различаются.
21
Разрушение СООН-группы называется декарбоксилирование. Одним из продуктов реакции всегда является СО2.
Рис. 3.8. Схема декарбоксилирования аминокислоты
Такие реакции очень распространены в природе. В результате декарбоксилирования образуются различные биогенные амины. Например, при
декарбоксилировании Гис образуется гистамин (рис. 3.9), участвующий в
аллергических реакциях.
Рис. 3.9. Образование гистамина
Кадаверин (рис. 3.10) получил такое название, потому что впервые был
обнаружен при разложении трупов (от лат. cadaver – труп).
Содержится также в продуктах распада белков.
Рис. 3.10. Декарбоксилирование лизина
Реакции декарбоксилирования важны в производстве сыра, поскольку
образующиеся амины способствуют формированию характерной ароматической композиции каждого вида сыра.
В целом в мягких сырах обнаружено больше аминов, чем в твердых.
Присутствуют и биогенные амины, такие как тирамин, триптамин, кадаверин, гистидин.
22
3.3 Пептиды
В живой материи аминокислоты находятся как в свободной форме, так
и связанном друг с другом виде. Связывание происходит между СООНгруппой одной аминокислоты и NH2-группой другой аминокислоты, а образованную связь называют пептидной. Формально1 образование пептидной
связи можно представить схемой (рис. 3.11).
В живой природе пептидная связь образуется благодаря сложному
ферментативному механизму, о котором речь пойдет позднее (см. раздел
13.2).
Рис. 3.11. Образование дипептида
Пептиды классифицируют по числу аминокислотных остатков в их составе (табл. 3.5).
Таблица 3.5 – Классификация пептидов
Число аминокислотных остатков
Разновидности
Два
Дипептид
Три
Трипептид
Четыре
Тетрапептид
До 10
Олигопептид
До 100
Полипептид
Более 100
Макропептид (белок)
Крайняя слева аминокислота содержит свободную NH2-группу, поэтому ее называют N-концевой, а крайняя справа аминокислота сохранила
свою СООН-группу, поэтому такую аминокислоту называют С-концевой
(рис. 3.12).
_______
1
– В лабораторных условиях это осуществляется более сложно. Чтобы аминокислоты соединились в нужном порядке, функциональные группы, не подлежащие соединению, защищают
(химически связывают). Или, наоборот, активируют те функциональные группы, которые должны прореагировать. Наибольшее распространение приобрел метод, предложенный Р. Меррифилдом. В этом методе С-концевую аминокислоту пептида СООН-группой фиксируют на полимере, а к свободной и NH2-группе присоединяют вторую с конца аминокислоту. Таким образом,
сборка полипептида осуществляется «задом наперед» – от последней аминокислоты к первой.
«За предложенную методологию химического синтеза на твердых матрицах» Р.Б. Меррифилд
был удостоен Нобелевской премии по химии 1984 года.
23
Рис. 3.12. Схема строения пептида
В рамках выделены пептидные связи
Название пептида образуют из названия аминокислот, входящих в его
состав. При этом возможны два варианта (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Пример тетрапептида и способы его названия:
а – все аминокислоты обозначают суффиксом -ил, а С-концевую аминокислоту называют без изменений; б – аминокислоты обозначают сокращенными
названиями, но N-концевую аминокислоту дополнительным символом Н,
а С-концевую – дополнительным символом ОН
В названии пептида указывают все особенности его построения.
Например, глутатион – это трипептид, образованный глутаминовой
кислотой, цистеином и глицином.
Но глутаминовая кислота образует пептидную связь своей γ-карбоксильной группой, наиболее удаленной от NH2-группы.
Это подчеркивают в названии – γ-глутамилцистеилглицин
(рис. 3.14).
24
Рис. 3.14. Строение глутатиона
Глутатион – это биологически активный пептид. Он участвует в окислительно-восстановительных реакциях.
Дипептидом является известный заменитель сахара аспартам (нутрасвит,
сладекс). Он образован из аспарагиновой кислоты и метилового эфира фенилаланина (рис. 3.15). Слаще сахара в 160–200 раз.
Рис. 3.15. Структура аспартама
В пептидах радикалы аминокислот проявляют свои физико-химические
свойства. Изоэлектрическая точка для пептидов приблизительно может
определяться как среднее арифметическое констант диссоциации (рК) концевых и заряженных аминокислот.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие аминокислоты называют протеиногенными? Какова их общая формула?
2. Приведите примеры разных способов классификации аминокислот.
3. Почему большинство аминокислот обладает оптическими свойствами?
4. Охарактеризуйте физико-химические свойства аминокислот. Покажите образование
биполярного иона на примере какой-либо аминокислоты.
5. Определите направление движения Глу (к катоду или к аноду) в процессе электрофореза на бумаге при рН1,5, рН6,7 и рН11,5.
6. Как проявляются амфотерные и буферные свойства аминокислот? Что такое изоэлектрическая точка?
7. Реакции карбоксильной группы аминокислот: диссоциация, образование солей, декарбоксилирование.
8. Реакции по аминогруппе: дезаминирование (четыре типа), переаминирование.
9. Конденсация аминокислот с образованием пептидов.
10. Постройте трипептид из любых аминокислот и назовите его разными способами.
25
ГЛАВА 4. БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА
Белковые вещества или коротко белки иначе еще называют протеины,
от греческого protos – первый, главный. Действительно, все проявления
жизни, любые формы живой материи, так или иначе, связаны с белками.
Это отмечал еще Ф. Энгельс в своей работе «Анти-Дюринг»: «Жизнь – есть
способ существования белковых тел…». Удивительно, что такое меткое
определение было дано в 1878 году, когда и природа белковых веществ и их
свойства во многом оставались загадкой для химиков-биологов.
Все попытки выяснить особенности строения, физико-химические
свойства, функции белков долгое время были неудачными. Поскольку традиционные способы выделения белковых веществ в чистом виде – перегонка, экстрагирование и др. приводили к потере природных, нативных1
свойств белков. Являясь частью живой материи, белки, как и все живое, потребовали особых, щадящих, тонких методов и способов выделения.
Первое, что удалось узнать с помощью озоления, – это элементный состав белков (табл. 4.1).
Таблица 4.1 – Элементный состав белков
Элемент
С
О
N
H
S
Fe, Cu, Zn, Mg
Содержание, % от сухой массы
51–55
21–23
15–18
6–7
0,3–2,5
0,0001–0,3
Элементный состав белков стал подтверждением работ А.Н. Данилевского по гидролизу белков. Было выяснено, что структурными единицами
белков являются аминокислоты.
4.1 Строение белковых молекул
В настоящее время белковые молекулы изучены достаточно хорошо. На
основе имеющихся данных сформулировано современное определение белков.
В строении белковых молекул выделяют несколько уровней организации.
Белки – это высокомолекулярные органические соединения, построенные из аминокислот, соединенных пептидными связями, и
имеющие большую молекулярную массу и сложную структурную организацию.
_______
1
– Нативный – (от лат. nativus – врожденный) – в биологии – находящийся в природном состоянии, не модифицированный, сохранивший структуру, присущую ему в живой клетке.
26
4.1.1 Первичная структура
Формирование белковых молекул начинается с соединения аминокислот друг с другом.
Это первый уровень или первичная структура белка.
Первичная структура белка – это полипептидная цепь, в которой
аминокислоты соединены пептидными связями.
Схематичное изображение первичной структуры такое же, как у полипептида, но если учесть, что валентные углы между атомами не равны 90º,
то становится ясно, что это ритмично изогнутая в пространстве цепь аминокислотных остатков (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Способы изображения первичной структуры белка:
а – прямолинейный; б – изогнутый; в – упрощенный изогнутый
(не указываются атомы С в цепи);
прямоугольниками выделены пептидные связи,
окружностями – N- и С-концевые аминокислоты
Электронное строение, энергия, длина связи, валентные углы как самой
пептидной, так и прилегающих к ней связей хорошо изучены.
Опираясь на эти знания, можно описать ряд особенностей пептидной
связи (табл. 4.2).
27
Таблица 4.2 – Особенности пептидной связи
Свойство
Копланарность
Характеристика
Атомы (С, О, N и Н), образующие пептидную связь, лежат в
одной плоскости, а радикалы аминокислотных остатков –
под углом 109о к этой плоскости
Способность
существовать в двух изомерных формах – кетои енольной
Возможность образовывать
водородные
связи (показаны тремя
точками)
Трансположение заместителей по отношению к С-N-связи
По своей природе пептидная связь является ковалентной, то есть одной
из самых прочных, что обеспечивает высокую стабильность первичной
структуры. Это своего рода защитное свойство. Ведь в природных условиях
соединение аминокислот в полипептидную цепь происходит не хаотично, а
по матрице генетического кода.
Другими словами первичная структура – последовательность аминокислот, подаренная нам природой. Каждый белок обладает характерными
ему свойствами только до тех пор, пока сохраняется характерное для него
чередование аминокислот.
Например, структуры нанопептидов окситоцина и вазопрессина отличаются двумя аминокислотами (рис. 4.2). При этом окситоцин ускоряет сокращения гладких мышц, а вазопрессин является антидиуретическим гормоном, так как регулирует водный баланс организма и осмотическое давление крови.
Стоит заменить хотя бы одну аминокислоту среди десятков или даже
сотен в полипептидной цепи, как белок утрачивает свои функции или обладает другими свойствами.
В производстве пищевых продуктов, как правило, не требуется полностью сохранять нативные свойства белков.
Многие технологические приемы направлены на разрушение первичной
структуры белков до пептидов и отдельных аминокислот. Это придает получаемому продукту новые физико-химические, органолептические свойства и
28
облегчает процесс переваривания белков, которые усваиваются только после
гидролиза до аминокислот.
Рис. 4.2. Биогенные нанопептиды
Выполняют гормональную функцию: а – окситоцин; б – вазопрессин
4.1.2 Вторичная структура
Вторичная структура – это способ укладки полипептидной цепи в
упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей
между пептидными группами одной цепи или смежных цепей.
Различают две разновидности вторичной структуры: α и β.
Другое название α-формы – спираль, или винтовая лестница. Витки
спирали удерживаются относительно друг друга с помощью водородных
связей между пептидными группами одной цепи. Эта форма вторичной
структуры хорошо изучена Л. Полингом1.
При этом установлено, что α-спираль очень совершенна, имеет ось
симметрии. В одном витке спирали укладывается 3,6 аминокислотных
остатка. Водородные связи возникают между каждым первым и четвертым
аминокислотным остатком.
Следовательно, каждый виток удерживается одной водородной связью. Угол наклона витка к оси спирали равен 26º. Шаг спирали h составляет 0,54 нм (рис. 4.3).
Другая разновидность вторичной структуры – β-форма, иначе называемая сложенный лист, или слоисто-складчатая структура.
В отличие от α-формы, водородные связи в β структуре образуются
между пептидными группами расположенных бок о бок полипептидных
нитей.
Расстояние между соседними полипептидными связями составляет
0,7 нм. Такая форма вторичной структуры возникает между цепями слабой
изогнутости.
При этом цепи могут быть параллельными, если их начала и концы
расположены в одном направлении (рис. 4.4) и антипараллельными, если
N-концевая аминокислота одной цепи и С-концевая аминокислота другой
цепи расположены рядом (рис. 4.5).
_______
1
– Л. Полинг лауреат Нобелевской премии по химии 1954 года «За исследование природы
химической связи и ее применение для определения структуры соединений».
29
Рис. 4.3. Способы изображения α-структуры белка:
а – детальный; б – упрощенный
Рис. 4.4. Способы изображения параллельных цепей:
а – с детализацией; б - упрощенный
Рис. 4.5. Способы изображения антипараллельных цепей:
а – с детализацией; б – упрощенный
30
Упрощенные варианты изображения вторичных структур используются при описании следующих уровней организации молекулы белка.
Интересно, что в природных белках обе разновидности вторичной
структуры могут обнаруживаться в пределах одной полипептидной цепи, а
также при изменении окружающих условий могут переходить друг в друга,
как показано на рис. 4.6.
Рис. 4.6. Переход α-формы вторичной структуры в β-форму:
а – α-спирали; б – β-слои
Однако спонтанный, незапланированный переход одной разновидности
вторичной структуры в другую может привести к нежелательным последствиям. Например, новое поколение заболеваний – прионовые инфекции
связаны с внезапным переходом α-формы белка в β-форму. При этом спирализованные белки, преобразуясь в слоистые структуры, склеиваются, образуют длинные волокна – амилоиды. Как правило, такие изменения
наблюдаются в мозговом веществе. Между видоизмененными волокнами
мозгового вещества образуются пустоты, которые препятствуют передаче
нервных импульсов, и регуляция обмена веществ в организме нарушается.
В первую очередь это сказывается на двигательной функции. У сельскохозяйственных животных такие проявления называют «коровье бешенство»,
«почесуха» у овец, у человека – болезнь «куру», или «веселящее слабоумие». Расстройство нервной и двигательной функций при болезнях Паркинсона и Альцгеймера в последнее время также связывают с прионами.
Прионы получили такое название от англ. proteinaceous infection particles –
белковые заразные частицы.
Начиная со средних веков и в более поздние времена человечество
научилось побеждать инфекции, вызываемые бактериями. В XX веке медицина сражалась с вирусами, более мелкими организмами, чем бактериальная клетка. В XXI веке борьба биологов, химиков, медиков будет направлена также и на прионы – особые белковые молекулы.
31
Сейчас уже известно, что свойства прионов во многом отличаются от
свойств других белков. Прионы не разрушаются при высоких температурах.
Например, они выдерживают автоклавирование при 132ºС в течение 20 минут. Именно поэтому современная медицина переходит на одноразовый
стоматологический и хирургический инструмент.
Прионы не разрушаются ферментами пищеварительного канала. Поэтому сельскохозяйственная продукция, которая может стать источником
прионовой инфекции, должна проходить строгий ветеринарный контроль.
Больные животные подлежат уничтожению.
4.1.2.1 Надвторичные структуры
Надвторичные структуры – это особые участки в белковых молекулах, которые отличаются структурной и функциональной специфичностью.
Иначе их называют домены1, или доменные области.
Как правило, они возникают при взаимодействии радикалов аминокислот между собой.
При этом наблюдается особая поляризация или, наоборот, гидрофобный участок, куда будут адсорбироваться ионы металлов, какого-либо органического соединения или другого белка.
В зависимости от дальнейших превращений, доменные области проявляют каталитические, структурообразующие или иные функции.
Пространственные разновидности надвторичных структур весьма разнообразны.
Например, различные сочетания α- и β-форм (по Ю.Б. Филипповичу)
представлены на рис. 4.7.
Рис. 4.7. Типы доменов:
а – ,/-спираль; б – /-сэндвич; в – β-баррель (от англ. barrel – бочка);
г – греческий ключ; д – греческий орнамент
_______
1
32
– От лат. dominium – владение, вотчина.
4.1.3 Третичная структура
Третичная структура – это способ упаковки скрученных или сложенных цепей в упорядоченную структуру.
Она стабилизируется сильными и слабыми взаимодействиями между
радикалами аминокислот (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Виды связей в третичной структуре
Водородные связи формируются между радикалами аминокислот,
имеющими электроотрицательные атомы (О, N).
Гидрофобные взаимодействия (вандервальсовы силы) образуются
между ароматическими аминокислотами и аминокислотами, имеющими неполярные радикалы.
Ионные связи (солевые мостики) по существу являются электростатическими контактами ионизированных групп.
Дисульфидные связи, или цистеиновые мостики, образуются при
окислении остатков цистеина в молекулу цистина.
Прочных контактов в третичной структуре очень мало. Например, в
молекулах химотрипсина и инсулина по две дисульфидные связи. А слабые
связи легко разрываются от различных внешних воздействий. Поэтому при
действии разного рода излучений, растворителей, тепла, изменении рН третичная структура может разрушаться.
По форме третичной структуры белки делят на глобулярные и фибриллярные (табл. 4.3). Для этого существует количественная характеристика – коэффициент асимметрии. Коэффициент асимметрии – отношение
продольного размера молекулы белка (b) к поперечному (a).
33
Таблица 4.3 – Деление белковых молекул по форме
Белки
Глобулярные
Характерна сложная пространственная трехмерная структура. Имеют гидрофобное ядро и гидрофильную1 поверхность. Как правило, полностью растворимы в воде, поэтому находятся
внутри организма (клетки) и выполняют
каталитические, регуляторные и другие
активные функции.
Фибриллярные
Характерна линейная структура. Плохо
растворимы в воде, обычно в их состав
входит большое количество гидрофобных
аминокислот. Имеют сродство к воде, но
полностью в ней не растворяются, поэтому
служат строительным материалом для кожи, мышц, ногтей, волос, шерсти и т.д.
Коэффициент асимметрии – до 10
Коэффициент асимметрии – до 200
Примеры: коллаген, эластин, кератин.
Примеры:
гистоны.
альбумины,
глобулины,
Есть белки, формирование молекул которых, завершается образованием третичной структуры, например, миоглобин. Это белок, спирализованный практически на 100%. На рис. 4.9 цветом выделены α-спирализованные
участки, возникшие в пределах одной полипептидной цепи. В третичной
структуре лизоцима одновременно присутствуют α- и β-формы.
Рис. 4.9. Объемные модели белков третичной структуры [17]:
а – миоглобина; б – лизоцима (мурамидазы)
Во многих белках обнаруживается следующий уровень организации –
четвертичная структура.
_______
1
34
– От греч. hydor – вода и philia – любовь или phobos – боязнь страх
4.1.4 Четвертичная структура
Четвертичная структура – это объединение двух и более белков с
третичной структурой в одну большую молекулу.
В четвертичной структуре сохраняется глобулярная или фибриллярная
форма третичной структуры (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Схема образования белка четвертичной структуры
В природных белках, как правило, четное число субъединиц – от 2 до
нескольких десятков.
Гомоолигомерные белки содержат одинаковые субъединицы. В гетероолигомерных белках субъединицы разные. Например, гемоглобин  гетеротетрамер. Состоит из четырех субъединиц, две из которых находятся в α-форме и
две в β-форме. РНК-полимераза образована субъединицами трех видов α, β и σ.
Соединение отдельных протомеров происходит благодаря контактам
между полярными группами на поверхности. В основном это водородные и
ионные взаимодействия. Поскольку эти типы связей не являются прочными, они могут обратимо разрушаться и восстанавливаться. В результате
возможно некоторое смещение субъединиц относительно друг друга. При
этом белковая молекула не является абсолютно жесткой структурой, а как
бы пульсирует в разных своих частях [3].
Изменение внешних условий (рН среды, ионной силы раствора, температуры и пр.) может быть настолько сильным, что большинство связей, стабилизирующих четвертичную структуру, разрушается и белок диссоциирует на отдельные белки третичной структуры. Как правило, это отражается
на функциональной активности данного белка. Такое изменение называют
денатурацией. Она может быть обратимой, если свойства белка восстанавливаются после устранения факторов, вызвавших денатурацию и необратимой – в противном случае.
35
4.2 Физико-химические характеристики белков
4.2.1 Амфотерные и буферные свойства
Амфотерные и буферные свойства белков обусловлены наличием в
их молекулах большого числа ионизированных NH2- и СООН-групп.
При подкислении среды диссоциация СООН-групп подавляется (рис.
4.11). Белки в данном случае проявляют свойства оснований.
Рис. 4.11. Нейтрализация кислоты в присутствии белка
С появлением в среде гидроксильных ионов белки действуют как
кислоты (рис. 4.12).
Рис. 4.12. Нейтрализация щелочи в присутствии белка
Амфотерный характер лежит в основе буферных свойств белков, то
есть позволяет их растворам сохранять неизменную реакцию среды. Для
любой живой клетки это имеет огромное значение, потому что сложные
взаимосвязанные превращения обмена веществ могут протекать в узком
диапазоне рН.
Ионизированные функциональные группы на поверхности белковых
молекул формируют определенный электрический заряд. Если в составе
белков преобладают кислые аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая, то суммарный заряд частицы белка будет отрицательным.
Такие белки называют кислыми. И, наоборот, если в большинстве своем – это основные аминокислоты, такие как, лизин, аргинин, гистидин, то
суммарный заряд белковой молекулы будет положительным, а белок называют основным.
Схематично белковую частицу, в таких случаях, можно представить
как поликатион или полианион (рис. 4.13).
36
поликатион
(суммарный заряд «+»)
полианион
(суммарный заряд «–»)
Рис. 4.13. Ионизированный белок
Например белки молока – казеин, альбумин, глобулин относятся к
кислым, а белки гистоны, протамины – основные.
При определенном значении рН среды (для каждого белка неодинаковое) количество ионизированных карбоксильных и аминогрупп уравнивается и белковая молекула становится электронейтральной (рис. 4.14). Такое
состояние называют изоэлектрической точкой (pI).
Рис. 4.14. Нейтрализация заряда белка при подкислении среды
Для каждого белка существует свое индивидуальное значение изоэлектрической точки. Но в целом зависимость следующая. Изоэлектрическая
точка кислых белков находится в кислой среде при значении меньше рН7,
для основных – в щелочной при значении больше рН7. Для нейтральных
белков изоэлектрическая точка находится в нейтральной среде или в близком к рН7 значении.
В изоэлектрической точке лишенные заряда белковые частицы не отталкиваются друг от друга, склонны агрегировать и выпадать в осадок. Эта
особенность используется при изучении белков или в производстве различных пищевых продуктов. Наиболее яркий пример – отделение белков молока от водной фазы в производстве творога и сыра. В этом случае ИЭТ казеина (рН4,7) – основного белка молока достигается при сквашивании молока
молочнокислой микрофлорой. Такой процесс осаждения казеина называют
37
кислотная коагуляция. В избытке кислоты диссоциация СООН-групп
настолько подавлена, что происходит смена заряда белковой молекулы –
перезарядка (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Перезарядка белковой молекулы
4.2.2 Гидрофильные свойства
Гидрофильные свойства – способность связывать воду.
Гидрофильность означает, что все белки имеют сродство к воде, а многие очень хорошо растворимы в воде.
Это объясняется:
во-первых, наличием одноименного электрического заряда на поверхности молекулы белка;
во-вторых, возникновением гидратной (гидрофильной) оболочки
(рис. 4.16).
Рис. 4.16. Гидратированный белок
Одноименный заряд препятствует сближению белковых молекул. В
соответствии с законами электростатики, одноименно заряженные частицы
отталкиваются друг от друга. А вследствие этого не образуют большие агрегаты и не выпадают в осадок под действием собственного веса.
38
Вокруг ионизированных групп на поверхности частицы белка ориентируются молекулы воды (диполи), образуя своеобразную «рубашку», которую и называют гидратная, гидрофильная оболочка, или связанная вода. Одетые в водную «рубашку» белковые молекулы приобретают большее
сродство к воде, после чего срабатывает правило: «подобное растворяется в
подобном».
Связанную воду невозможно удалить высушиванием, вымораживанием, прессованием, поскольку она соединяется с белковой частицей не путем
простой диффузии, а с помощью электостатических взаимодействий.
Таким образом, до тех пор, пока частицы белков обладают этими двумя факторами: зарядом и гидратной оболочкой, белки находятся в растворимом состоянии. В природных условиях клетка с помощью разнообразных
механизмов поддерживает растворимое состояние белков. Однако в различных лабораторных, научных исследованиях или в производстве пищевых продуктов белки часто нужно выделить из раствора. Для этого существует несколько способов.
4.2.3 Способы осаждения белков
1. Высаливание. Как следует из названия, в этом случае используются
соли. Это должны быть концентрированные соли щелочных металлов, а
также аммония и магния. При добавлении таких солей, во-первых, удаляются гидрофильные оболочки с белковых частиц за счет гидратации самой
соли. Во-вторых, происходит снятие электрического заряда с белковых молекул благодаря адсорбции противоположно заряженных ионов. В результате частицы белка агрегируют и выпадают в осадок. Но такое осаждение
называют обратимым, поскольку макромолекулы белков сохраняют свои
первоначальные свойства и не подвергаются денатурации. Если осадок, полученный этим способом, промыть дистиллированной водой или очистить
методом диализа, белки снова растворятся.
Метод высаливания позволяет также фракционировать или получать
белки в кристаллическом виде. Разделение белков на фракции основано на
том, что каждый индивидуальный белок разделяемой смеси осаждается из
нее при определенной концентрации той или иной соли, в то время как другие белки при данной концентрации соли остаются в растворе. При дальнейшем насыщении солью выпадает следующий индивидуальный белок и,
таким образом, последовательно наращивая содержание соли в реакционной среде, можно один за другим выделить относительно чистые индивидуальные белки. Таким способом получают, например, гормональные и ферментные препараты.
2. Добавление тяжелых металлов. В этом случае даже разбавленные
растворы солей тяжелых металлов приводят к необратимой денатурации.
Ионы тяжелых металлов взаимодействуют с реакционноспособными аминокислотными радикалами белковой молекулы. В результате образуются проч39
ные комплексные соединения, и молекулы белков лишаются одноименного
заряда. Кроме этого тяжелые металлы, очевидно, глубоко изменяют вторичную, третичную и четвертичную структуры макромолекул белка.
Интересно, что в избытке таких солей осадки растворяются, на основании чего можно сделать ошибочное заключение, что осаждение было обратимым. В действительности из-за связывания катионов металлов происходит перезарядка белкового комплекса, подобно той, что показана на рис.
4.15. В результате в раствор переходит комплекс измененного белка с металлом. Свойство белков необратимо связываться с тяжелыми металлами
используют в медицинской и ветеринарной практике как противоядие при
отравлении солями ртути, меди, свинца, а также для выделения белков или
для освобождения растворов и биологических жидкостей от белков.
Например, в молочной промышленности избыток ионов кальция может
привести к тому, что формируется непрочный сгусток и увеличивается отход белков в сыворотку. В целом это ведет к повышению расхода сырья в
производстве творога и сыра.
3. Действие органических растворителей. В органических растворителях, таких как спирт, ацетон, эфир и др., белки не растворяются и выпадают в осадок. Действие спирта, ацетона и других органических растворителей сводится к дегидратации белковых молекул, что ведет к понижению
устойчивости их в растворе. В зависимости от природы белка для его осаждения требуются различные концентрации органических растворителей.
Осаждение белков органическими растворителями может иметь как обратимый, так и необратимый характер в зависимости от продолжительности
воздействия. При быстром отделении осадка денатурация не успевает произойти и белок опять может растворяться, то есть осаждение обратимо.
Длительный контакт с органическими растворителями приводит к необратимому осаждению белков.
4. Нагревание. Белки могут как «обрастать» гидрофильной оболочкой – гидратироваться, так и терять ее – дегидратироваться. При этом температурное воздействие имеет большое значение, поскольку, с физикохимической точки зрения, гидратация белковых молекул – экзотермический
процесс. Для гидратации-дегидратации, как и для любого обратимого процесса, справедлив принцип Ле Шателье. В данном случае для того, чтобы
протекала прямая реакция, из системы необходимо отводить тепло. Иначе
процессы приходят в равновесие, а затем начинает преобладать обратная
реакция. Поэтому нагревание белковых растворов практически всегда сопровождается выпадением белков в осадок.
Для преимущественного большинства белков пороговой является температура 40°С. Подогрев до таких температур приводит к обратимому
осаждению белков, т.е. после охлаждения осадка он снова может растворяться. Нагревание до 70°С и выше, как правило, сопровождается необратимой денатурацией белков. Но есть и исключения, например, прионы, о
которых упоминалось ранее.
40
4.2.4 Коллоидные свойства
Коллоидные1 свойства белков обусловлены размером и массой их молекул. Как известно, размер растворенных частиц в коллоидных системах
колеблется от 1 до 100 нм. Величина белковых молекул находится именно в
таких пределах.
Растворы белков являются коллоидами только по своим свойствам. По
существу – это истинные растворы, так как растворенной частицей в них
является отдельная белковая молекула, то есть это раствор высокомолекулярного соединения (ВМС), или молекулярный коллоид.
Для получения растворов молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт с подходящим растворителем, например, к
желатину добавить воду. При этом благодаря ионизации полярных групп на
поверхности молекул возникает заряд и образуется гидрофильная оболочка.
Белок сначала набухает, увеличивается по массе и размерам, а затем растворяется. При этом раствор ВМС возникает самопроизвольно, без стабилизатора 2. Отличие свойств растворов ВМС и коллоидов показано в табл. 4.4.
Таблица 4.4 – Сходство и различия
Показатель
Образование
Термодинамическая устойчивость
Обратимость
Гетерогенность
Размеры частиц
Оптические свойства
Диффузия
ВМС
Самопроизвольное
Устойчивы
Обратимые
Гомогенные
10–9…10–7
Светорассеяние
Медленная
Коллоидные
Несамопроизвольное
Неустойчивы
Необратимые
Гетерогенные
10–9…10–7
Светорассеяние
Медленная
Из-за большого размера молекул белков они не могут проникать сквозь
полупроницаемую мембрану. Природными полупроницаемыми мембранами
являются стенки животных и растительных клеток. Эта особенность используется для разделения и очистки растворов белков методом диализа3.
Метод применяется в исследовательской практике, медицине, фармацевтических, косметических и других технологиях. В производстве пищевых продуктов диализ и его разновидности используют для выработки детских и специализированных продуктов для придания им функциональных
свойств. Усовершенствованный за счет действия электрического поля метод, называют электродиализ.
_______
1
– Коллоидные от греч. kolla – клей и edos – вид, буквально – «клеевидные».
– В коллоидных растворах заряд на поверхности частиц (мицелл) образуется за счет адсорбции ионов из раствора.
3
– Диализ (от греч. dialysis – разложение, отделение) – это удаление низкомолекулярных
примесей из коллоидных систем и растворов ВМС путем диффузии через полупроницаемую
мембрану.
2
41
Законы диализа применяют в современных методах – ультрафильтрации и обратного осмоса, для чего используют мембраны высокой
прочности из нецеллюлозных материалов с калиброванными порами и
продавливают растворы белков через мембраны сжатым газом или центробежной силой.
Растворы белков, как и коллоидные растворы, называют золи (от лат.
solutio – раствор). При утрате гидрофильной оболочки и заряда между молекулами белков возникают контакты, в результате чего белки агрегируют
(слипаются, склеиваются от лат. aggregаre – присоединять), образуют коллоидный сгусток (сетку) и выпадают в осадок.
Коллоидные осадки называют гели1. Образуются под влиянием различных внешних факторов (высаливание, изменение рН, нагревание), которые
приводят к удалению гидрофильной оболочки и заряда с молекул белка. Гели не обладают текучестью, упруги, пластичны, способны сохранять форму,
обладают определенной механической прочностью (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Изменение коллоидного состояния
При изменении коллоидного состояния протекают следующие процессы.
Гелеобразование – образование коллоидного осадка, может быть обратимым.
Коагуляция – необратимое осаждение белка.
Синерезис – выделение дисперсионной среды при уплотнении геля.
Явления гелеобразования, коагуляции и синерезиса – важнейшие процессы в производстве кисломолочных продуктов, творога и сыра. Например, в производстве творога и сыра одна из задач технолога – максимально
отделить белки от водной фазы молока, то есть перевести их из растворенного состояния (золя) в гель.
Для этого используют приемы, которые приводят к снятию гидрофильной оболочки и заряда с молекул белков и описаны выше.
_______
1
– Гель от лат. gelo – застываю; в пищевой промышленности как синоним используют термин «студни».
42
Во-первых, уменьшают заряд и переводят казеин в состояние ИЭТ путем подкисления среды в результате жизнедеятельности молочнокислых
микроорганизмов (кислотная коагуляция).
Во-вторых, используют высаливание, при котором по технологии допускается добавление СаСl2. И, наконец, нагревание, что еще больше способствует уплотнению сгустка и синерезису.
Коллоидные свойства белков имеют большое значение для живых организмов вообще, в различных биохимических исследованиях и пищевых
технологиях. Например, цитоплазма представляет собой гель, образованный в основном молекулами белков. Клейковина, выделенная из пшеничного теста, простокваша – это гидратированные гели.
4.3 Номенклатура и классификация белков
Обычно за белком закрепляется название, связанное с источником, из
которого он впервые был выделен. Например, казеин – основной белок молока, получил название от лат. caseus – сыр, поскольку готовят сыр из молока сельскохозяйственных животных. Белок яйца – авидин называют от
лат. avis – птица. В силу огромного многообразия белков их очень сложно
систематизировать по единой схеме. Поэтому общей для всех белков номенклатуры и классификации в настоящее время не создано. В зависимости
от того, что выбрано за параметр классификации белки подразделяют по
форме молекулы, по особенностям строения, по химической природе и
функциональной активности. При этом одни и те же белки встречаются в
разных вариантах классификации. Раньше всего появилась классификация
белков по форме молекулы (табл. 4.3). Сделана попытка классифицировать
белки по соотношению α- и β-форм (табл. 4.5).
Таблица 4.5 – Классификация белков по особенности вторичной структуры
Форма белка
Особенности строения
α
Содержат α-спирали в количестве не менее
60% от всей полипептидной цепи
Содержат только β-формы, как правило, в
виде не менее двух антипараллельных цепей
Содержат α- и β-формы в одной полипептидной цепи, при этом один домен образован
α-спиралями, другой – β-формами
Содержат чередующиеся α- и β-формы; домены собраны из α- и β-форм
β
α+β
α/β
Пример
Миоглобин
Химотрипсин
Инсулин, рибонуклеаза
Карбоксипептидазы
В 1 клетке содержится от 30 000 до 50 000 разных белковых молекул. С
выяснением их свойств и по мере открытия новых белковых молекул список
белков по функциональной активности постоянно пополняется (табл. 4.6).
43
Таблица 4.6 – Примеры функционально активных белков
Функция
Структурная:
Каталитическая
Защитная
Транспортная
Регуляторная
Запасная и пищевая
Сократительная и двигательная
Пример
На уровне молекул – гистоны в составе ДНК;
на уровне организма – коллаген, эластин, кератин
Ферменты
На уровне молекул – антитела, яды;
на уровне организма – кератин
На уровне клеток – K+/Na+-АТФаза, ферритин;
на уровне организма – альбумины, гемоглобин
Гормоны, рецепторы
Альбумин, казеин
Актин, миозин
Большое распространение получила классификация белков по химической природе. В этом случае белки, в первую очередь, делят на простые
(неконъюгированные) и сложные (конъюгированные). Простые белки состоят только из аминокислот. Различаются растворимостью и биологическими функциями (табл. 4.7).
Таблица 4.7 – Примеры простых белков
Белок
Альбумины
Глобулины
Гистоны
Физико-химические свойства.
Биологическая роль
Молекулярная масса 15–70 тыс. дальтон1; ИЭТ 4,6–4,7.
Кислые, так как содержат много Глу; размер молекул маленький,
поэтому сильно гидратированы и хорошо растворимы в воде.
Биологически полноценны; обладают неспецифической адсорбцией – связывают и переносят как полярные, так и неполярные соединения
Молекулярная масса более 100 тыс. дальтон; ИЭТ 6,0–7,3.
Нейтральные и слабокислые; из-за большого размера молекул
слабо гидратированы и не растворимы в воде, но растворимы в
солевых растворах.
Биологически полноценны; выполняют транспортные функции,
поскольку обладают неспецифической адсорбцией, часть глобулинов имеет специфическую адсорбцию; защитные функции (антитела)
Молекулярная масса 5–37 тыс. дальтон; ИЭТ 10–11.
Белки основного характера, так как содержат до 20–30% Лиз, Арг,
Гис; благодаря маленьким размерам сильно гидратированы и хорошо растворимы в воде.
Биологически полноценны; участвуют в формировании третичной
структуры ДНК
_________
1
– 1 дальтон единица измерения массы атомов, молекул, а также вирусов, клеток и их структур (хромосом, рибосом, митохондрий и др.), равная 1/12 массы атома углерода (12С), или 1,661
10–24 г. Название дано в честь англ. физика и химика Дж. Дальтона (1766–1844).
44
Окончание таблицы 4.7
Белок
Протамины
Физико-химические свойства
Биологическая роль
Молекулярная масса до 10 тыс. дальтон; ИЭТ 10–12
Белки основного характера, так как содержат до 50–80% Лиз, Арг;
благодаря маленьким размерам сильно гидратированы и хорошо
растворимы в воде.
Биологически полноценны
Склеропротеины
(протеноиды)
в том числе:
Фибриллярные; не растворимы в воде, солевых растворах, разбавленных кислотах, щелочах; плохо или совсем не гидролизуются
ферментами пищеварительного канала человека.
Биологически неполноценны
Коллагены
Молекулярная масса 300 тыс. дальтон.
Нейтральные; длительное кипячение превращает в растворимый в
воде желатин.
Структурные белки соединительной ткани, сухожилий, хрящей,
костей, связок, кожи
Эластины
Молекулярная масса 100 тыс. дальтон
Нейтральные; не растворимы в воде даже после кипячения.
Структурные белки эластичных тканей, связок, сухожилий, артерий, вен; частично расщепляются в пищеварительном канале человека
Кератины
Молекулярная масса 2 млн.
Кислые; в четвертичной структуре содержат по 30–40 полипептидных цепей; не растворимы в воде, но набухают и «садятся» в
горячей воде из-за разрушения третичной и четвертичной структур; не расщепляются в пищеварительном канале человека
Сложные белки состоят из белкового и небелкового компонентов. В
названиях сложных белков отражается природа или свойства небелковой
части (табл. 4.8).
Таблица 4.8 – Классификация сложных белков
Белок
Примеры
Хромопротеины
Гемоглобин и миоглобин животных и человека.
Меланопротеины животных и человека.
Хлорофилл растений
Нуклеопротеины
ДРНП и РНП в составе хроматина, вирусов, рибосом
Липопротеины
Преобладает белковый компонент; соединение белковой и
небелковой частей осуществляется двумя видами взаимодействий – гидрофобными (между радикалами высших жирных
кислот и аминокислот) и гидрофильными (между полярными
группами фосфолипидов и аминокислот).
Компоненты клеточных мембран; липопротеины крови –
транспортные белки
45
Окончание таблицы 4.8
Белок
Примеры
Протеолипиды
Преобладает липидный компонент; белковая и липидная части
соединяются также как и у липопротеинов.
Оболочки нервных клеток
Гликопротеины
Преобладает белковый компонент; соединение белковой и
небелковой частей осуществляется за счет гликозиламидных
связей (между ОН-группами углеводов и NH2-группами белков) или гликозидных связей (между ОН-группами углеводов
и ОН-группами белков).
Рецепторы, -глобулины
Протеогликаны
Преобладает углеводный компонент, представленный уроновыми кислотами или аминосахаридами.
Гиалуроновая кислота и хондроитинсульфат в составе соединительной и хрящевой ткани соответственно
Фосфопротеины
Остатки фосфорной кислоты соединяются сложноэфирной
связью с ОН-группами Сер.
Казеин молока, вителлин желтка яйца, овальбумин белка
яйца
Металлопротеины
Ионы железа соединяются с белковой частью координационными связями.
Ферритин, железосерные белки, алкогольдегидрогеназа
Вопросы для самоконтроля:
1. Дайте определение белков. В чем заключаются их важнейшие функции для организма
человека?
2. Каковы характерные признаки белков? Элементный состав белков?
3. Первичная структура белков. Особенности пептидной связи.
4. Вторичная структура белков. Разновидности вторичной структуры.
5. Третичная структура белков. Связи, стабилизирующие третичную структуру.
6. Четвертичная структура белков. Связи, стабилизирующие четвертичную структуру.
7. Чем обусловлены амфотерные и буферные свойства белков? Дайте понятие изоэлектрической точки.
8. Почему белки обладают гидрофильными свойствами? Перечислите способы осаждения белков.
9. Чем обусловлены и как проявляются коллоидные свойства белков?
10. Классификация белков: по форме молекулы; по химической структуре.
11. Что служит критерием при оценке полноценности белков?
46
ГЛАВА 5. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеиновые кислоты – это небелковый компонент нуклеопротеинов. В настоящее время их рассматривают как надмолекулярные комплексы
и по наличию небелкового компонента выделяют дезоксирибонуклеопротеины (ДРНП) и рибонуклеопротеины (РНП).
Соотношение белковой и небелковой частей в нуклеопротеинах может
быть различным (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Состав нуклеопротеинов
Хранение и передача генетической информации обеспечивается благодаря нуклеиновым кислотам.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) хранит генетическую информацию, а рибонуклеиновая кислота (РНК) реализует эту информацию.
Окончательное представление о роли нуклеиновых кислот в клетке
сформировалось к середине XX века после того, как был изучен их состав и
проведены многочисленные и разноплановые исследования свойств и
функций нуклеиновых кислот.
5.1 Состав нуклеиновых кислот
Состав нуклеиновых кислот был изучен еще в конце XIX века с помощью простых методов: гидролиза и качественных реакций на структурные
компоненты. Так было выяснено, что в составе нуклеиновых кислот есть
углеводы, азотсодержащие соединения и фосфорная кислота.
Углеводы представлены пентозами, рибозой и дезоксирибозой (рис.
5.2), которые обнаружены соответственно в РНК и ДНК. Углеродные атомы
сахара принято обозначать цифрой со штрихом: 1/, 2/ и т.д., в отличие от углеродных атомов азотсодержащих соединений.
Азотсодержащие соединения представлены производными двух гетероциклов – пурина и пиримидина.
Вершины в них принято нумеровать, как показано в табл. 5.1.
Важнейшие производные пурина – это аденин (А) и гуанин (Г), а пиримидина – цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У).
47
Рис. 5.2. Пентозы, входящие в состав ДНК и РНК
Таблица 5.1 – Структуры азотистых оснований
Гетероциклы
пурин
пиримидин
Их производные
аденин (А)
цитозин (Ц)
гуанин (Г)
тимин (Т)
урацил (У)
В состав ДНК входят А, Г, Ц, Т, а в РНК –А, Г, Ц, У1.
Азотистые основания могут существовать в двух таутомерных формах,
которые называют кето-енольными или лактим-лактамными, соответственно.
5.2 Структуры нуклеиновых кислот
В период с конца 20-х годов до начала 50-х годов прошлого столетия
были открыты новые факты, связанные со структурой и функцией нуклеиновых кислот. Многие исследователи вели работы в этом направлении. В
настоящее время эти знания выстроены в строгую систему, знакомство с
которой позволит понять сложную структурную организацию и функции
нуклеиновых кислот.
______
1
– Кроме этих азотистых оснований в нуклеиновых кислотах обнаружены редкие, минорные:
1-метиладенин, 2-метиладенин, N6-диметиладенин, 1-метилгуанин, 7-метилгуанин, N2-диметилгуанин. Как следует из названий, минорные азотистые основания содержат дополнительные
метильные группы, которые защищают нуклеиновые кислоты от повреждения клеточными нуклеазами.
48
Рис. 5.3. Образование таутомерных форм азотистых оснований
5.2.1 Структурные звенья нуклеиновых кислот
В результате соединения азотистого основания и углевода образуется
молекула – нуклеозид. По принципу построения нуклеозиды относятся к
классу гликозидов, в которых азотистое основание присоединяется к углеводу по месту гликозидного гидроксила (см. глава 10, рис. 10.6). Установлено, что пиримидиновые азотистые основания присоединяются через 1-й
атом азота, а пуриновые – через 9-ю вершину (табл. 5.2).
Таблица 5.2 – Структуры и названия нуклеозидов
Азотистое основание
Название нуклеозида
Аденин
Аденозин
(может быть и
дезоксиаденозин)
Гуанин
Гуанозин
(может быть и
дезоксигуанозин)
Цитозин
Цитидин
(может быть и
дезоксицитидин)
Строение нуклеозида
49
Окончание таблицы 5.2
Азотистое основание
Название нуклеозида
Тимин
Тимидин
(может быть и
дезокситимидин)
Урацил
Уридин
Строение нуклеозида
Если к 5/-углеродному атому сахара присоединяется остаток фосфорной кислоты, то образуется нуклеотид, или нуклеозидмонофосфат. Нуклеотиды подразделяют по числу фосфорных остатков.
Это отражают в названии нуклеотида соответствующей приставкой
моно-, ди- или три-, которую ставят перед суффиксом фосфат (фосфорная
кислота).
Если фосфорных остатков два – нуклеозиддифостфат, если присоединяется три фосфорных остатка – нуклеозидтрифосфат (рис. 5.4).
Дезоксинуклеотиды обозначаются соответствующей приставкой дезокси-.
Нуклеозидфосфаты выполняют разные функции в организме: участвуют в синтезе биополимеров, входят в состав ряда ферментов.
Также нуклеозидфосфаты являются макроэргическими соединениями,
то есть используются как источники энергии в клетке. Как известно из курса общей химии вся энергия в молекулах хранится в химических связях.
При разрушении связей эта энергия выделяется.
Связи считаются нормальными, если при их разрыве выделяется до 25
кДж/моль.
При расщеплении макроэргических, богатых энергией связей, выделяется 25–50 кДж/моль.
50
Рис. 5.4. Структуры АТФ, АДФ, АМФ
Универсальным источником энергии является АТФ. Считают, что эти
свойства проявляются у АТФ благодаря особому строению трифосфатной
части.
Как видно из рис. 5.5, на этом участке молекулы АТФ положительные
заряды локализуются на атомах фосфора, а отрицательные – на окружающих их атомах кислорода.
Вероятно, именно чередование отрицательных и положительных зарядов имеет существенное значение для выделения повышенного количества
энергии при гидролитическом отрыве фосфатных групп. Подсчитано, что
при образовании АДФ из АТФ выделяется около 35 кДж/моль.
51
Рис. 5.5. Чередование зарядов
на трифосфатном участке молекулы АТФ
В клетках энергия, накопленная в виде АТФ, используется для различных форм движения, транспорта веществ, в реакциях биосинтеза нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов и т.д.
Основное предназначение нуклеозидмонофосфатов – это структурные
звенья нуклеиновых кислот.
Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, в строении которых выделяют несколько уровней организации.
5.2.2 Первичная структура нуклеиновых кислот
Первичная структура нуклеиновых кислот – это полинуклеотидная цепь, в которой нуклеотиды соединяются 3/,5/-фосфодиэфирными связями.
Фосфодиэфирные 3/,5/-связи иначе называют межнуклеотидными.
Началом цепи считают 5/-конец, у которого 5/-углеродный атом сахара
имеет только фосфорный остаток.
Окончание цепи – это нуклеотид, у которого 3/-углеродный атом сахара содержит группу –ОН. Этот нуклеотид называют 3/-концом полинуклеотидной цепи.
Различать начало и конец полинуклеотидной цепи принципиально
важно, поскольку при описании последовательности нуклеотидных остатков генетического кода их перечисляют от 5/-конца к 3/-концу.
Принцип построения первичной структуры ДНК и РНК одинаков
(рис. 5.6), но существенная разница заключается в размерах, а точнее в
длине полинуклеотидной цепи.
Все объясняется назначением нуклеиновых кислот в клетке. В молекуле ДНК записана вся генетическая информация о данном виде, а РНК лишь
реализует эту информацию, причем не всю одномоментно, а фрагментарно,
по мере необходимости.
Поэтому молекулы ДНК гораздо больше молекул РНК.
52
Рис. 5.6. Фрагмент первичной структуры:
а – РНК, б – ДНК
Для количественной характеристики существует коэффициент поликонденсации – число нуклеотидных остатков в полинуклеотидной цепи.
Коэффициент поликонденсации РНК составляет 10-ки, 100-ни и 1000-чи
нуклеотидных остатков, а в ДНК их количество больше в тысячи раз.
Для наглядности ДНК сравнивают с целой библиотекой, а РНК с отдельной книгой. Если нам хочется прочитать какое-либо произведение, мы
не перечитываем всю мировую литературу, а берем отдельную книгу. Также и в живой природе. Если клетке в определенный момент необходим какой-то белок, она не переписывает всю генетическую информацию (ДНК), а
использует лишь информацию о данном белке (РНК).
Следующие уровни организации ДНК и РНК имеют существенные различия.
5.2.3 Вторичная структура ДНК
Вторичная структура ДНК – двойная спираль из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей.
Модель вторичной структуры ДНК была предложена Д. Уотсоном и
Ф. Криком1 в 1953 г. Эти ученые обобщили большой объем предыдущих
исследований. В частности, они опирались на работы Э. Чаргаффа, который
с сотрудн. опубликовал сенсационные результаты по установлению химической структуры нуклеиновых кислот.
_________
1
– Ф. Крик, Д. Уотсон, М. Уилкинс лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года «За открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их
значение для передачи информации в живых системах»
53
Изучив огромное количество образцов различных органов и тканей у
разных организмов, они установили, что в ДНК разных организмов содержится неодинаковое количество азотистых оснований. Например, в состав
ДНК, выделенной из ядер клеток человека, входит 30% аденина, 20 – гуанина, 30 – тимина и 20% цитозина. У бактерий эти цифры значительно отличаются и, к примеру, у Sarcina lutea составляют соответственно 13%, 37,
13 и 37%. Но для одного и того же организма соотношение между нуклеотидами сохраняется постоянным, из каких бы клеток ни выделяли ДНК. Это
значит, что во всех клетках, например, человека, ядерная ДНК будет содержать 30% аденина.
Эти закономерности получили название «правил Чаргаффа»:
1. Количество нуклеотидов с аденином равно количеству нуклеотидов
с тимином, а количество нуклеотидов с гуанином равно количеству нуклеотидов с цитозином (А=Т, Г=Ц).
2. Количество пуриновых нуклеотидов равно количеству пиримидиновых нуклеотидов (А+Г=Т+Ц).
3. Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6 (А+Ц=Г+Т).
В то же время отношение (А+Т)/(Г+Ц) у ДНК разных видов может быть
различно. У одних организмов преобладают пары А и Т, у других – Г и Ц.
Главным толчком к установлению вторичной структуры ДНК послужили рентгенограммы волокон ДНК, полученные в 1952 году Розалин
Франклин. При анализе этих снимков ею были сделаны выводы, что спираль ДНК состоит из двух нитей, в которых фосфатные группы располагаются снаружи, а основания – внутри спирали, что в одном витке укладывается 10 пар нуклеотидов, шаг спирали равен 3,4 нм, а одна нить сдвинута
относительно другой по вертикали на 3/8 витка. С помощью рентгеноструктурного анализа был выяснен наружный и внутренний диаметр нитей ДНК.
Сопоставив эти данные с работами Э. Чаргаффа, Д. Уотсон и Ф. Крик
сделали абсолютно справедливый вывод о взаимном связывании больших и
малых азотистых оснований друг с другом парами, которые называют комплементарными: А–Т и Г–Ц. Модель Уотсона и Крика полностью подтверждена последующими исследованиями (рис. 5.7).
В настоящее время хорошо известны параметры двойной спирали1.
• Спираль закручена по часовой стрелке.
• Цепи являются антипараллельными, то есть начало одной цепи расположено рядом с концом другой цепи.
______
1
– Кроме представленной формы ДНК, которую называют В-форма, существует несколько ее
разновидностей. В них сохраняется общий план построения вторичной структуры ДНК, но отличаются некоторые параметры: угол наклона азотистых оснований к оси спирали, число нуклеотидных остатков в одном витке и т.д.
54
• Остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты образуют сахарофосфатный скелет и расположены на внешней стороне спирали.
• Остатки азотистых оснований обеих цепей уложены стопкой внутри
спирали так, что плоскости этих оснований перпендикулярны оси.
• На каждый виток спирали приходится ровно 10 нуклеотидных пар.
• Шаг спирали равен 3,4 нм, а расстояние между отдельными нуклеотидами составляет 0,34 нм.
• Внешний диаметр спирали составляет примерно 2 нм, а внутренний – 1.
Рис. 5.7. Вторичная структура ДНК
5.2.4 Третичная структура ДНК
Третичная структура ДНК существенно отличается у высших и низших
организмов.
В прокариотических клетках молекулы ДНК в третичной структуре существуют в разных формах: линейной, кольцевой, в виде скрученной кольцевой или компактного клубка.
Эти структуры могут взаимно переходить из одной формы в другую,
как показано на рис. 5.8.
55
Рис. 5.8. Разновидности третичной структуры ДНК прокариот:
а – линейная; б – кольцевая; в – скрученная кольцевая; г – клубок
В эукариотических клетках третичная структура ДНК формируется в комплексе с белками и представляет собой многократно суперспирализованную молекулу.
Белки, участвующие в формировании третичной структуры ДНК,
называются гистоны. Относятся к основным белкам, из-за большого содержания аминокислоты Гис. Своими ионизированными NH2-группами связываются с фосфорными остатками и компенсируют кислотные свойства
ДНК. Третичная структура ДНК эукариот формируется поэтапно, как описано в табл. 5.3.
Таблица 5.3 – Этапы образования третичной структуры ДНК в эукариотических клетках
Этап
Нуклеосомный
Соленоидный
Диффузный хроматин
Конденсированный хроматин
Хромосома
56
Особенности
8 молекул гистонов образуют октамер, который дважды
обвивается двойной спиралью ДНК – образуется нуклеосома:
Нуклеосомы одна за другой образуют нуклеосомный тяж
(хроматиновую нить)
Хроматиновая нить сворачивается таким образом, что в одном витке укладывается 6 нуклеосом – образуется фибрилла
Фибриллы скручиваются
Уплотнение и дальнейшее скручивание диффузного хроматина
Образована конденсированным хроматином; содержит также негистоновые белки
Визуально этапы уплотнения и формирования третичной структуры
ДНК эукариот можно представить, как показано на рис. 5.9.
Рис. 5.9. Формирование третичной структуры ДНК эукариот:
а – вторичная структура ДНК; б – нуклеосомный тяж; в – фибрилла; г – диффузный
хроматин; д – конденсированный хроматин; е – хромосома
5.3 Виды РНК
Матричная, или информационная РНК условно обозначается мРНК
или иРНК, иначе – РНК-посредник в передаче генетической информации в
белоксинтезирующий аппарат клетки. Служит матрицей для синтеза белка.
На долю матричной РНК приходится лишь 2–10% от всей массы РНК в
клетке.
Информационная РНК отвечает единственному критерию: последовательность нуклеотидных остатков в молекуле несет информацию, обеспечивающую синтез специфического белка непосредственно на ней самой.
Другие параметры значительно различаются.
- Молекулярные массы иРНК варьируют в широких пределах: от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов дальтон. Как правило, у
моноцистронных иРНК (кодируют биосинтез одного белка) молекулярные
массы меньше, чем у полицистронных иРНК (кодируют биосинтез нескольких функционально связанных белков). Коэффициент седиментации1 иРНК
колеблется от 10S до 65S.
- Продолжительность жизни молекул иРНК достигает несколько секунд и минут у бактерий или несколько часов, дней и недель у эукариот.
- Нуклеотидный состав бактериальных иРНК отличается ДНКподобием, чего не наблюдается у иРНК эукариот.
_________
1
– За единицу измерения константы седиментации принят 1 сведберг (S), равный 10–13сек; эта
константа зависит от массы и формы частицы (макромолекулы) и для белков изменяется в пределах от 1 до 200 сведбергов.
57
Первичная структура иРНК – полинуклеотидная цепь, состоящая из участков разной функциональной значимости. Если расположить их по порядку от
начала полинуклеотидной цепи, то 1-й, 2-й, 4-й и 5-й участки являются не информативными (рис. 5.10), но выполняют определенные нагрузки.
Рис. 5.10. Схематичное изображение структур иРНК.
Красным цветом выделен информативный участок, который начинается
инициирующим кодоном АУГ, а завершается одним
из терминирующих кодонов (УГА, УАА или УАГ)
На 1-м с 5/-конца участке находится сайт связывания с рибосомой. Это
особая сигнальная последовательность Шайна–Дальгарно1 АГГАГГУ, которой соответствуют комплементарные нуклеотиды (УССУССА) на 3/конце рРНК. Благодаря такому соответствию мРНК закрепляется на рибосоме. Также считают, что 1-й с 5/-конца фрагмент защищает иРНК от экзонуклеаз. Такими свойствами он обладает благодаря особому строению:
один из нуклеотидов – 7-метилгуанозин присоединен через трифосфатную
группировку. В результате образуется «защитный козырек». Поэтому и весь
1-й участок называют кэп (от англ. сар – кепка).
Также не несут информации 2-й и 4-й фрагменты, которые отличаются
размерами. Протяженность 2-го участка составляет 30–100 нуклеотидов, а
4-го участка достигает 100–1000 нуклеотидов. Эти зоны необходимы для
акцептирования белковых факторов и связывания с рибосомой.
На 3/-конце располагается 5-й участок – полиадениловый. Тоже не информативен, но участвует в созревании иРНК эукариот, способствует переносу иРНК из ядра в цитоплазму и др.
Лишь 3-й по порядку участок является информативным. Он выполняет
кодирующую функцию, поэтому его иначе называют транслируемый фрагмент. Он начинается через 10–12 нуклеотидов от последовательности Шайна–Дальгарно и всегда открывается инициирующим кодоном АУГ. Завершается информативный фрагмент одним из терминирующих кодонов
(УАА, УГА или УАГ).
Во вторичной структуре полинуклеотидная нить иРНК сворачивается,
образуя короткие двухцепочечные участки, которые возникают благодаря
спариванию комплементарных оснований А с Т и Г с Ц.
_______
1
58
– Описана австралийскими учеными Джоном Шайном и Линн Дальгарно.
Транспортная РНК составляет 15–16% от всей массы РНК в клетке.
Функция тРНК – перенос определенных аминокислот на рибосому в ходе
белкового синтеза.
В «алфавите» нуклеиновых кислот четыре буквы – А, Г, Ц, Т(У), а в
«алфавите» белков 20 букв (аминокислот). Роль переводчика наследственной
информации с языка нуклеиновых кислот на язык белков и выполняет тРНК.
Ее молекулы самые маленькие среди всех видов РНК.
Содержат в большинстве своем 75 нуклеотидов, поэтому изучены очень
хорошо. Именно в молекулах тРНК обнаружено больше всего минорных азотистых оснований.
Предполагают, что редкие азотистые остатки защищают тРНК от рибонуклеаз и участвуют в связывании и кодировании аминокислот.
Во всех случаях 3/-конец тРНК завершается триплетом ЦЦА (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Схематичное изображение структур тРНК
а – первичная; б – вторичная; в – третичная
Вторичная структура тРНК – это спирализованный сам на себя полинуклеотид, напоминающий по форме клеверный лист. Биспиральные участки возникают за счет спаривания комплементарных пар А–Т и Г–Ц. Неспирализовенные зоны формируют петли.
К акцептирующему стеблю через 3/-концевой аденозин присоединяется
аминокислота. В противоположной стороне, на антикодоновой петле, есть
триплет, который комплементарен триплету (кодону) на иРНК.
В третичной структуре «клеверный лист» более компактно сложен и
похож на заглавную букву «Г» кириллицы или «L» латинского алфавита.
При этом антикодоновая петля и акцептирующий стебель пространственно
разделены – расположены в противоположных концах.
59
Рибосомальная РНК составляет основную массу всех видов РНК – от
80 до 85%. Выполняет несколько функций:
- во-первых, служит структурной основой рибосомы; концепцию рибонуклеопротеинового комплекса выдвинул А.С. Спирин: в рибосомной субъединице молекула рРНК служит каркасом для присоединения рибосомных
белков;
- во-вторых, связывает белковые факторы, необходимые для функционирования рибосомы;
- в-третьих, взаимодействует с иРНК и тРНК, а также участвует в формировании белковой молекулы.
Первичная структура рРНК, как и у других видов нуклеиновых кислот – полинуклеотидная цепь. Известно несколько видов рРНК, отличающихся молекулярной массой, которую характеризуют константой седиментации S – низкомолекулярные и высокомолекулярные рРНК.
К низкомолекулярным относят рРНК 5S и 5,8S, содержащие по 120 и
158 нуклеотидных остатков соответственно. Высокомолекулярными считаются рРНК 16–18S, включающие 1500–1800 нуклеотидных остатков, и 23–
28S, в которых содержится 2000–4500 нуклеотидов. Они отличаются также
различной локализацией в рибосоме.
Вторичная структура рРНК – спирализованный сам на себя однонитевый
полинуклеотид. Возникает при сворачивании нити рРНК и спаривании комплементарных оснований (А–Т и Г–Ц), при этом образуется то или иное количество биспиральных участков и петель. Вокруг них за счет электростатических сил ориентируются белки, формируя рибонуклеопротеиновый тяж.
Третичная структура рРНК – сворачивание рибонуклеопротеинового
тяжа в компактную систему, которая собственно является рибосомной
субъединицей.
Вопросы для самоконтроля:
1. Каково значение НК в организме?
2. Химический состав ДНК и РНК. Виды азотистых оснований.
3. Приведите примеры нуклеозидов и нуклеотидов.
4. Каково значение нуклеотидов?
5. В чем особенность строения полинуклеотидной цепи?
6. Как устроена вторичная структура ДНК?
7. Чем отличается третичная структура ДНК в прокариотических и эукариотических
клетках?
8. Функции информационной РНК, особенности вторичной и третичной структур.
9. Функции транспортной РНК, особенности вторичной и третичной структур.
10. Функции рибосомальной РНК, особенности вторичной и третичной структур.
60
ГЛАВА 6. ФЕРМЕНТЫ
Ферменты (от лат. fermentum – закваска) или энзимы (от греч. en
zyme – в дрожжах) известны человеку с незапамятных времен в таких процессах, как сыроделие, виноделие, хлебопечение. Но химическая природа,
механизм действия, свойства ферментов открыты сравнительно недавно.
Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы.
Первые обобщения относительно действия ферментов, как катализаторов были сделаны к середине XIX века.
Общие особенности ферментов:
- ферменты ускоряют реакции, но сами остаются неизменными;
- не вызывают новых химических реакций, а лишь ускоряют существующие;
- в обратимых реакциях: в равной степени ускоряют как прямое, так и
обратное превращение; не влияют на направление реакции, которое определяется только соотношением концентраций исходных веществ и продуктов;
не влияют на положение равновесия, а лишь ускоряют его достижение.
Участие ферментов в катализируемом превращении можно представить простой схемой (рис. 6.1). Превращение субстрата в продукт требует
преодоления энергетического барьера. Для этого вне организма в реакционных смесях увеличивают температуру, давление, концентрации реагирующих веществ и пр. С помощью ферментов это же превращение осуществляется по обходному пути, через промежуточные реакции, энергетический
барьер которых неизмеримо меньше.
Рис. 6.1. Три стадии ферментативного катализа
I стадия – происходит диффузия субстрата к ферменту и образование ферментсубстратного комплекса FS; II стадия – фермент-субстратный комплекс преобразуется в
активированную форму FS/; III стадия – от активированного фермент-субстратного
комплекса отделяется фермент и образуется продукт реакции
Ни один химический процесс, протекающий в живом организме, отдельной клетке, не может протекать без ферментов. Однако между ферментами и небиологическими катализаторами существует значительная разница (табл. 6.1).
61
Таблица 6.1 – Отличие ферментов от небиологических катализаторов
Ферменты
Действуют в «мягких» условиях: в присутствии большого количества воды, без высоких
давлений, при сравнительно низких температурах, без пламени
Характерна исключительная избирательность
действия
Отличаются высокой интенсивностью – ускоряют реакции в 1014–1015 раз
Небиологические катализаторы
Действуют
в
присутствии
пламени, высоких давлений, при
высоких температурах
Катализаторы ускоряют несколько реакций одного типа
Ускоряют реакции в несколько
раз
Подсчитано, что 1 мг железа в ферменте может заменить 10 т неорганического железа в реакции разложения пероксида водорода.
Такие существенные отличия ферментов от небиологических катализаторов объясняются строением молекул ферментов.
6.1 Строение ферментов
В первую очередь следует помнить, что ферменты – это белковые вещества и все свойства, характерные для белков, присущи и ферментам. Белковая природа ферментов была признана после того, как Д.Х. Нортроп в
30-х годах XX века получил в кристаллическом виде пепсин и трипсин.
Позднее химическая сущность ферментов получила подтверждение с помощью рентгеноструктурного анализа.
При скручивании и сворачивании полипептидных цепей молекул ферментов в определенную структуру образуются особые участки с характерными свойствами. Их называют центрами фермента: активный, каталитический, субстратный и схематично изображают в виде углублений различной формы в молекуле фермента (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Центры фермента:
субстратный – место, куда присоединяется субстрат, центр отвечает за специфичность фермента; каталитический – область, где протекает реакция; аллостерический (иначе регуляторный, метаболический) есть не у всех ферментов, реагирует на действие внешних факторов
Важно подчеркнуть, что все центры фермента не жесткие структуры.
Они могут изменять форму в процессе ферментативного катализа. Часто с
присоединением субстрата происходит одновременное сближение каталитического центра. В таких случаях говорят об одном активном центре фермента.
62
Нельзя полностью идентифицировать белки и ферменты с живыми существами, но аналогию провести можно. Фермент и субстрат не ждут случайного соударения при хаотичном движении частиц, как это происходит в
неорганической химии. В живой клетке превращения протекают как по
сценарию. Определенный фермент узнает и захватывает соответствующий
ему субстрат, поворачивает, если необходимо, или изменяет свою пространственную конфигурацию, и осуществляет каталитическое превращение. В результате выделяется фермент в неизменном виде и продукт реакции. Существует много примеров, когда фермент тут же передает преобразованный субстрат (продукт) другому ферменту как по цепочке на конвейере. Этим во многом и объясняется и особая избирательность, и высокая эффективность действия ферментов.
Одним из первых идею о центрах связывания фермента с субстратом
высказал немецкий химик-органик Фишер. Его теория получила название
«ключа и замка» (рис. 6.3). Это значит, что форма активного центра фермента должна подходить к субстрату, как ключ к замку.
Рис. 6.3. Гипотеза «ключа и замка»
Стадии I, II, III соответствуют общей схеме ферментативного катализа (рис. 6.1)
В соответствии с общей схемой ферментативного катализа, фермент и
подходящий ему по форме субстрат образуют фермент-субстратный комплекс, в котором происходят определенные изменения, способствующие
образованию активированного фермент-субстратного комплекса. В результате выделяется новый продукт и фермент в неизменном виде.
Основное положение этой теории абсолютно справедливо и сейчас, но
по мере изучения структур различных ферментов представления о ферментативном катализе значительно расширились. Известно, что у ряда ферментов активный центр может изменять форму в зависимости от окружающих
условий. Эта особенность ферментов описывается теорией «индуцированного (вынужденного) взаимодействия» Кощленда. В соответствии с этой
теорией после образования комплекса фермент-субстрат в молекуле фер63
мента могут наблюдаться некие конформационные изменения, которые индуцируют соответствующие изменения в молекуле субстрата.
По химической природе все ферменты делят на простые и сложные
(рис. 6.4).
Рис. 6.4. Особенности простых и сложных ферментов
И простые и сложные ферменты могут быть представлены разными
молекулярными формами (табл. 6.2).
Таблица 6.2 – Молекулярные формы ферментов
Ферменты
Протомеры – ферменты
третичной структуры, состоят из одной полипептидной цепи
Олигомеры – ферменты
четвертичной структуры,
состоят из нескольких полипептидных цепей
Примеры
Катализируют одну реакцию – лизоцим
Катализируют несколько реакций, поскольку содержат
несколько активных центров в пределах одной полипептидной цепи; иначе называют полифункциональные –
синтаза пиримидиновых циклов (у млекопитающих)
Катализируют одну реакцию – химотрипсин
Катализируют несколько реакций; иначе называют
мультиферментные комплексы – синтаза высших жирных кислот
В олигомерах, катализирующих одну реакцию, выделяют изоферменты. Изоферменты – это ферменты, катализирующие одну реакцию, но отличающиеся друг от друга аминокислотным составом, последовательностью аминокислот, физико-химическими свойствами, локализацией в разных тканях.
64
6.2 Кинетика ферментативных реакций
Ферментативная кинетика – это зависимость скорости реакции от химической природы реагирующих веществ (фермента и субстрата) и условий
их взаимодействия (концентрации, температуры, рН и др.).
Однако ферменты – это белки, чувствительные к влиянию различных
внешних воздействий. Поэтому при изучении скорости ферментативных
реакций учитывают главным образом концентрации реагирующих веществ,
а влияние температуры, рН среды, активаторов, ингибиторов и прочих факторов стараются свести к минимуму и создают стандартные условия. Вопервых, это оптимальное для данного фермента значение рН среды. Вовторых, рекомендуется придерживаться температуры 25°С, в тех случаях,
где это возможно. В-третьих, что особенно важно, достигают полного
насыщения фермента субстратом. Скорость ферментативной реакции, измеренной при соблюдении перечисленных условий, и полном насыщении
фермента субстратом называют максимальной скоростью ферментативной реакции (V).
Скорость ферментативной реакции при неполном насыщении фермента субстратом обозначают v.
Скорость ферментативной реакции измеряют количеством молей субстрата, превращаемых в единицу времени (как и скорость обычной реакции).
Ферментативный катализ упрощенно можно описать схемой:
,
где F – фермент, S – субстрат, FS – фермент-субстратный комплекс, P –
продукт реакции. Каждая стадия этого процесса характеризуется
определенной скоростью.
Взаимодействие фермента с субстратом приводит к образованию фермент-субстратного комплекса, но этот процесс обратимый. Скорость прямой и обратной реакции зависят от концентраций реагирующих веществ и
описываются соответствующими уравнениями (1) и (2).
В состоянии равновесия справедливо уравнение (3), поскольку скорости прямой и обратной реакции равны.
Подставив значения скорости прямой (1) и обратной (2) реакции в
уравнение (3), получим равенство (4).
65
Состояние равновесия характеризуется соответствующей константой
равновесия Кр, равной отношению констант прямой и обратной реакции (5).
Величина, обратная константе равновесия, называется субстратной
константой Кs, или константой диссоциации фермент-субстратного комплекса (6).
Из уравнения (6) ясно, что субстратная константа уменьшается при высокой концентрации фермент-субстратного комплекса, то есть при большой
его устойчивости. Следовательно, субстратная константа характеризует
сродство фермента и субстрата и соотношение констант скоростей образования и диссоциации фермент-субстратного комплекса.
Явление насыщения фермента субстратом изучали Л. Михаэлис и
М. Ментен. На основе математической обработки результатов ими было выведено уравнение (7), получившее их имена, из которого ясно, что при высокой концентрации субстрата и низком значении субстратной константы скорость ферментативной реакции стремится к максимальной. Но это уравнение
носит ограниченный характер, поскольку учитывает не все параметры.
Одновременно с диссоциацией фермент-субстратного комплекса на исходные вещества происходит превращение субстрата в продукт и отделение
его от фермента. Поэтому для полной характеристики ферментативного
процесса введено понятие константы Михаэлиса Кm, которая выражает
взаимосвязь константант скоростей всех трех реакций ферментативного катализа (8). Если оба слагаемых разделить на константу скорости реакции
образования фермент-субстратного комплекса, то получится выражение (9).
Отсюда вытекает важное следствие: константа Михаэлиса всегда
больше субстратной константы на величину k2/k1.
Скорость ферментативной реакции при неполном насыщении фермента
субстратом (10) зависит от концентрации фермент-субстратного комплекса.
66
Коэффициентом пропорциональности служит константа реакции освобождения фермента и продукта, поскольку при этом меняется концентрация
фермент-субстратного комплекса.
После преобразований, с учетом представленных выше зависимостей,
скорость ферментативной реакции при неполном насыщении фермента субстратом описывается уравнением (11), то есть зависит от концентраций
фермента, субстрата и их сродства Кs.
Графическая зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата выражается кривой (рис. 6.5). При достижении максимального насыщения фермента субстратом скорость ферментативной реакции становится максимальной, а кривая идет параллельно оси абсцисс. То
есть, лимитирующим фактором протекания реакции является образование
фермент-субстратного комплекса.
Рис. 6.5. Зависимость скорости ферментативной реакции
от концентрации субстрата при постоянной концентрации фермента
Концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной скорости реакции, численно равна константе Михаэлиса.
Практика показала, что концентрации субстратов, как правило, выражаются значениями намного меньше единицы (10–6–10–3 моль).
Оперировать такими величинами в расчетах довольно сложно. Поэтому Г. Лайнуивер и Д. Берк предложили выражать графическую зависимость
скорости ферментативной реакции не в прямых координатах, а в обратных.
Они исходили из предположения, что для равных величин равны и обратные им значения.
67
После преобразования (13), получается выражение, называемое уравнением Лайнуивера-Бэрка (14).
Графиком уравнения Лайнуивера-Бэрка является прямая (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Зависимость скорости ферментативной реакции
от концентрации субстрата в обратных координатах
Отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен 1/V.
Отрезок, отсекаемый на оси абсцисс, на графике Лайнуивера-Бэрка равен -1/Km.
Считается, что метод Лайнуивера-Бэрка позволяет более точно, чем в
прямых координатах определить максимальную скорость реакции. Из этого
графика можно также извлечь ценную информацию, касающуюся ингибирования фермента. Существуют и другие способы преобразования уравнения Михаэлиса–Ментен.
6.3 Механизм ферментативного действия
Все разнообразие молекулярных форм ферментов, кажется, невозможно подвести под единую схему ферментативного катализа. Однако раскрытие механизма действия одно- и двухкомпонентных ферментов позволило
увидеть, что ферментативные превращения – это цепь довольно простых
химических реакций.
68
6.3.1 Механизм действия простых ферментов
В активных центрах простых (однокомпонентных) ферментов есть
только радикалы аминокислотных остатков. Благодаря их функциональным
группам и осуществляется каталитическое превращение.
Например, в активном центре панкреатической липазы есть остатки
Гис и Сер, которые непосредственно участвуют в гидролизе сложноэфирной связи (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Механизм действия липазы
Гис участвует в переносе Н+, а Сер связывает ацильный остаток, который освобождается при разрыве сложноэфирной связи. Продуктами реакции является α,β-диглицерид и свободная жирная кислота, которая отщепляется от остатка Сер при действии воды.
6.3.2 Механизм действия сложных ферментов
В каталитическом центре сложных ферментов есть небелковый компонент. Например, простетическая группа аминотрансфераз, ферментов,
участвующих в реакциях переаминирования представлена фосфорилированной формой витамина В6, который представлен в организме тремя формами: пиридоксолом, пиридоксалем и пиридоксамином.
В ходе реакции происходит превращение пиридоксаля в пиридоксамин, а непосредственное участие в катализе принимают лишь функциональные группы: альдегидная и аминная, поэтому для упрощения остальная
часть витамина обозначена R (рис. 6.8).
69
Рис. 6.8. Две формы витамина В6 в составе аминотрансферазы
Реакция открыта в 1937 году А.Е. Браунштейном и М.Г. Крицман и хорошо изучена. В ней выделяют две стадии, так как для пиридоксаля субстратом служит аминокислота, а для пиридоксамина – кетокислота.
Рис. 6.9. Механизм реакции переаминирования:
1 – дегидратация; 2 – перегруппировка; 3 – гидролиз
70
Из рис. 6.9 видно, что и в начальной и в завершающей стадии протекают превращения одного типа: дегидратация, перегруппировка и гидролиз.
На примере механизма действия сложных ферментов можно предположить, что свободные витамины или катионы металлов с таким же успехом осуществляют подобные превращения с субстратом. Отчасти это так.
Отделенный от белкового компонента кофермент может катализировать характерное ему превращение. Разница заключается в эффективности действия и скорости протекаемой реакции. Например, ион железа из раствора
солей катализирует разложение пероксида водорода. Но эта реакция ускоряется в миллионы раз, если Fe2+ находится в составе ферментов – железопорфиринов. Это свидетельство того, что белковая часть фермента играет
активную роль в катализируемой реакции.
6.4 Свойства ферментов
При изучении свойств ферментов вводят понятие активности.
Активность фермента  количество превращенного вещества в
единицу времени.
Для количественного выражения активности фермента используют
разные единицы. При этом единицей активности фермента считают то
его количество, которое катализирует превращение одного микромоля субстрата в минуту в заданных оптимальных условиях (1 мкмоль/мин). Однако
если субстратом служит белок, полисахарид или другая молекула, в которой фермент атакует более одной связи, то мерой скорости реакции считается число катализируемых связей, а не общее число вступивших в реакцию
молекул.
Единицу активности фермента обозначают Е (на русск. и нем.) и U (на
англ., итал., исп.).
Позднее ввели новую единицу измерения активности фермента:
1 катал (кат) = 1 моль/сек
Это количество фермента, способное в течение 1с обеспечить превращение 1 моль субстрата в стандартных условиях. На практике оказалось,
что превращения идут с гораздо меньшей скоростью, чем 1 моль/сек, поэтому пользуются величинами: мккат (10–6), нкат (10–9) и пкат (10–12).
По скорости работы бывают относительно быстрые и относительно
медленные ферменты. Характеризуются числом оборотов  количество
молекул субстрата, превращенного 1 молекулой фермента за 1 сек. Самым
активным считается карбоангидраза (106 об/сек). Для большинства ферментов число оборотов на порядок ниже (100 об/сек). Есть ферментные
комплексы, у которых этот показатель не более 1 об/сек.
71
6.4.1 Специфичность ферментативного действия
Специфичность – одно из выдающихся качеств ферментов, которые
отличают их от небелковых катализаторов.
Специфичность – это способность катализировать лишь определенную
реакцию или воздействовать на определенную связь. Различают специфичность субстратную и специфичность действия. Пределы субстратной специфичности у разных ферментов различны. Одни ферменты каталитически
ускоряют только одну реакцию. Такую специфичность называют индивидуальной или абсолютной. Например, амилаза расщепляет крахмал, сахараза
расщепляет сахарозу до глюкозы и фруктозы, а уреаза гидролизует мочевину.
Другие ферменты катализируют реакции определенного типа и отличаются групповой специфичностью. Основным признаком ферментов этого
типа является характер разрушаемой или создаваемой связи. Например, целая группа протеиназ желудочно-кишечного канала (пепсин, трипсин, химотрипсин, пептидазы и др.) расщепляет пептидные связи в белках и пептидах. Некоторые ферменты обладают стереохимической специфичностью,
то есть действуют только на один из пространственных изомеров. Например, фумаратгидратаза катализирует присоединение воды к фумаровой кислоте, но не к ее стереоизомеру – малеиновой кислоте.
По специфичности действия все ферменты делят на шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы.
6.4.2 Термолабильность ферментов
Чувствительность ферментов к температуре называют термолабильность. Как правило, ферменты наиболее активны в небольшом интервале
температур. Для ферментов организма животных и человека это промежуток
от 36 до 40°С. Пик активности фермента называют температурным оптимумом (tопт). У каждого фермента температурный оптимум имеет свое определенное значение. Закономерности влияния температуры на активность ферментов обобщены в табл. 6.3.
Таблица 6.3 – Влияние температуры на активность ферментов
Параметр
Графическая
зависимость
72
Результат
Окончание таблицы 6.3
Параметр
Повышение
температуры
Понижение
температуры
Результат
С увеличением температуры до некоторого значения повышается скорость ферментативной реакции. Это объясняется тем, что температура
влияет на скорость реакции образования фермент-субстратного комплекса и последующие этапы преобразования субстрата. В среднем
при повышении температуры на 1°С скорость реакции возрастает
примерно на 20%; имеет большое физиологическое значение при различных воспалительных процессах в организме, так как с увеличением
температуры активизируются биохимические процессы, катализируемые ферментами.
При слишком высоких значениях температуры белковая часть фермента денатурирует. Такой критической температурой для большинства ферментов является 40÷50°С.
С уменьшением температуры до 0°С активность действия ферментов падает до нулевой отметки. Однако в этом случае фермент не
разрушается, а инактивируется и при повышении температуры до
оптимального значения восстанавливает свои свойства
Таким образом, инактивировать ферменты можно выдержкой при высоких температурах или глубоким охлаждением, если требуется сохранить
свойства ферментов в дальнейшем.
Знание термолабильности ферментов широко применяется при заготовках кормов, хранении продуктов животноводства, в медицинской и
ветеринарной практике, фармацевтических, пищевых и других технологиях.
6.4.3 Влияние рН среды
на активность ферментов
Ферменты, как и любые белки, чувствительны к значению рН среды.
От концентрации водородных ионов (Н+) зависит ионизация функциональных групп в молекуле белка фермента.
Во-первых, водородные ионы воздействуют на активный центр фермента. При различных значениях рН в реакционной среде активный центр
может быть слабее или сильнее ионизирован, больше или меньше экранирован соседними с ним группами.
Во-вторых, концентрация водородных ионов влияет на состояние белковой части фермента, определяя соотношение в нем анионных и катионных групп, что сказывается на третичной структуре. Как известно, именно
при формировании третичной структуры фермента образуются активные
центры фермента.
В-третьих, рН среды влияет на степень ионизации субстрата, ферментсубстратного комплекса и продуктов реакции.
73
Для каждого фермента существует свое оптимальное значение рН среды (рНопт), при котором его активность максимальна. Например, амилаза
наиболее активна при рН 6,8–7,0, а пепсин – при рН 1,5–2,5.
Изменение рН в кислую или щелочную сторону сопровождается более или
менее равномерным падением активности фермента, как показано на рис. 6.10.
Но воздействие рН ощутимо в гораздо большей степени, чем влияние
температуры. Если ферменты сохраняют жизнеспособность при изменении
температуры на несколько единиц, иногда десятков градусов, то смещение
рН лишь на несколько десятых долей единицы уже чувствительно для ферментов. Например, оптимум рН крови у человека составляет 7,4.
При уменьшении рН до 7,2–7,3, например, после интенсивной физической нагрузки спортсмен ощущает слабость, тошноту, головокружение. Изменение рН крови на одну единицу приводит у животных к агонии и смерти. «Загнать лошадь» – известное из художественной литературы выражение, смысл которого всем понятен. Это результат целого комплекса факторов: обезвоживания, гипертермиии и др., но сдвиг рН в данном случае – одна из первоочередных причин, приводящая к инактивации ферментных систем и прекращению биохимических реакций.
Рис. 6.10. Зависимость активности фермента
от значения рН среды:
1 – пепсин; 2 – амилаза; 3 – химотрипсин
Особо показательно изменение рН для ферментных систем микроорганизмов. Например, бактериостатический эффект обычного хозяйственного
мыла объясняется его щелочной реакцией. Многие очаговые бактериальные
заболевания удается купировать простыми средствами: полосканиями и
ваннами с кислыми (перманганат калия) и щелочными (питьевая сода)
средствами. Показатель рН – это мощный инструмент и в руках специалистов-технологов, производящих пищевую продукцию. Широко распространенные способы консервирования грибов, ягод, овощей, фруктов, мясных и
рыбных продуктов – это подкисление среды с помощью уксусной и лимонной кислот.
74
6.4.4 Влияние посторонних веществ на активность ферментов
Ферменты чувствительны к наличию в окружающей среде различных
посторонних веществ. В целом посторонние вещества видоизменяют либо
белковую часть фермента, либо его активный центр настолько, что катализируемая реакция ускоряется или замедляется. Поэтому все посторонние
вещества можно разделить на две большие группы:
- активаторы – ускоряют скорость ферментативной реакции;
- ингибиторы – тормозят действие ферментов.
Нередко одни и те же вещества могут быть активаторами для одних
ферментов и ингибиторами для других. Например, соляная кислота активизирует действие пепсина, но угнетает действие амилазы.
Часто активаторами ферментов являются катионы многих металлов
2+
(Mg , Mn2+, Co2+, K+ и др.) и некоторые анионы, например, Cl–.
Действие ингибиторов может быть специфичным и неспецифичным.
Специфичное ингибирование означает, что вещество подавляет определенный фермент. Например, действие эластазы, выделяемой легкими,
блокируется ингибитором белковой природы – антитрипсином, который
используется для лечения эмфиземы легких.
Неспецифичные ингибиторы действуют на любые ферменты. Например, ионы тяжелых металлов (Cu2+, Pb2+, Hg2+, Cd2+) являются неспецифичными ингибиторами, так как приводят к необратимой денатурации белковой части любого фермента. Эта особенность давно применяется в медицинской практике. Целый ряд преператов для подавления бактериальных
инфекций готовят с использованием тяжелых металлов. Механизм их действия связан именно с ингибированием ферментов бактериального происхождения, после чего бактериальные клетки теряют жизнеспособность.
В пищевых технологиях, наоборот, тяжелые металлы представляют
большую угрозу. Вот почему и питьевую воду, и продукты питания контролируют на наличие тяжелых металлов.
Ингибирование может быть обратимым, если после удаления постороннего вещества активность фермента восстанавливается. В противном
случае, если удаление постороннего вещества не приводит к восстановлению активности фермента, ингибирование называют необратимым.
Кроме этого ингибирование может быть конкурентным и неконкурентным. При конкурентном ингибировании постороннее вещество и субстрат имеют пространственное сходство и конкурируют за активный центр
фермента. По принципу конкурентного ингибирования действуют сульфопрепараты, которые содержат сульфоновую группу, и имеют некоторое
структурное сходство с карбоновыми кислотами. Сульфоновые кислоты
встраиваются в цепь превращений карбоновых кислот в бактериальной
клетке. Тем самым тормозится нормальный ход развития бактерий.
Эффект от конкурентного ингибитора можно снизить, увеличивая концентрацию субстрата, так как в этом случае возрастает вероятность связы75
вания фермента с субстратом. При неконкурентном ингибировании постороннее вещество взаимодействует с белковой частью либо с регуляторным
центром, вследствие чего фермент теряет активность. При таком ингибировании влияние постороннего вещества не может быть преодолено повышением концентрации субстрата.
При неконкурентном ингибировании сродство фермента к субстрату не
меняется, а меняется только максимальная скорость реакции. Примером являются соли тяжелых металлов.
Механизм действия современных противоинфекционных средств – антибиотиков построен по типу того или иного ингибирования.
Вид ингибирования можно определить по графической зависимости
(рис. 6.11).
Рис. 6.11. Влияние ингибиторов на скорость ферментативной реакции:
а – при неконкурентном ингибировании сродство фермента к субстрату остается неизменным, но максимальная скорость реакции уменьшается; б – при конкурентном
ингибировании максимальная скорость реакции не меняется, меняется лишь сродство
фермента к субстрату
6.5 Номенклатура и классификация ферментов
Тривиальные названия строились по случайным признакам. Например,
пепсин (гр. пепсис – пищеварение), трипсин (гр. трипсис – разжижаю), цитохромы (лат. citos – клетка, chroma – цвет).
При попытке упорядочить номенклатуру ферментов появились рациональные названия, учитывающие название субстрата с добавлением суффикса -аза: амилаза (гр. – крахмал), (гр. – липаза), уреаза (гр. yrea – мочевина). Другой путь систематизации названий ферментов – отражение химического состава небелковой группы фермента: геминфермент содержит простетическую группу гем, пиридоксальфермент содержит витамин В6 – пиридоксаль и т.д.
Иногда фермент называли по типу катализируемой реакции, например,
лактатдегидрогеназа.
76
Чтобы исключить любые разночтения, с 1961 года ферменты называют
в соответствии с международными правилами.
Название фермента включает названия субстратов, участвующих в реакции, и тип химического превращения.
6.5.1 Оксидоредуктазы
Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные
реакции. При этом происходит перенос атомов водорода или по отдельности протонов и электронов. Схематично действие оксидоредуктаз можно
описать уравнением: Н-S-Н + S1 → S + Н-S1-Н
Если S2 – это не кислород, то процесс анаэробный, а ферменты называют дегидрогеназами, если S2 – кислород, то процесс аэробный, а ферменты в зависимости от условий называют оксидазами или оксигеназами.
Оксидоредуктазы – многочисленный класс ферментов. Их насчитывают более 500. Они являются двухкомпонентными. При такой большой численности оксидоредуктаз набор их коферментов довольно ограничен, а субстратная специфичность обусловлена строением белковой части фермента.
Наиболее распространены никотинамидные (пиридинзависимые)
коферменты. Такое название они получили благодаря амиду никотиновой
кислоты (никотинамиду, он же витамин В5), в структуру которого входит
гетероцикл пиридин. В составе кофермента есть также азотистое основание
аденин и остатки рибозы, соединенные дифосфатной группировкой. Весь
кофермент представляет собой объединение двух нуклеотидов. Поэтому
полное название кофермента – никотинамидадениндинуклеотид (НАД)
или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).
Рис. 6.12. Строение коферментов:
а – НАД; б – НАДФ
77
Разница в строении обусловливает разную локализацию ферментов,
содержащих НАД и НАДФ и взаимодействие с различными субстратами.
В катализируемой реакции проявляет активность непосредственно
амид никотиновой кислоты (рис. 6.13).
Рис. 6.13. Работа активного центра НАД и НАДФ
Более половины известных в настоящее время оксидоредуктаз содержат НАД или НАДФ в качестве кофермента.
Флавинзависимые оксидоредуктазы или флавопротеины. Их коферментами являются флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД).
Рис. 6.14. Структура ФМН
Рис. 6.15. Структура ФАД
78
Активным центром этих коферментов является флавиновый комплекс,
который получил свое название за желтый цвет от греч. flavus – желтый. Как
видно из рис. 6.16 флавиновые коферменты обратимо переносят атомы Н.
Рис. 6.16. Работа активного центра ФАД и ФМН
Большинство флавопротеинов вторичные дегидрогеназы, но некоторые
флавопротеины особенно с ФАД в качестве кофермента могут непосредственно снимать атомы водорода с субстрата, то есть являются первичными
дегидрогеназами.
Коферментами оксидоредуктаз являются хиноны. В животных организмах – это убихинон (рис. 6.17), а в растительных – пластохинон. Другое их
название кофермент Q. В боковой ветви кофермента Q находятся повторяющиеся 6–10 раз остатки изопрена. Отсюда еще одно название – Q10.
O
OH
H3C - O
CH3
H 3C - O
CH3
H 3C - O
R
H3C - O
R
O
K0 Q
OH
K0Q
окисленная форма
восстановленная форма
Рис. 6.17. Участие КоQ в окислительно-восстановительной реакции
Некоторые оксидоредуктазы в качестве простетической группы содержат липоевую кислоту, которая получила название за липофильные свойства – способность растворяться в органических соединениях и нерастворимость в воде, благодаря чему может легко проникать через различные
биомембраны.
Роль липоевой кислоты важна в превращении ПВК в ацетил-КоА, то
есть в утилизации углеводов. Также липоевая кислота обладает выражен79
ными антиоксидантными свойствами как в жирорастворимых, так и в водорастворимых средах, прерывая свободнорадикальные процессы.
Активную роль при этом играют тиольные (сульфгидрильные) SНгруппы (рис. 6.18), поэтому липоевую кислоту относят также к группе тиольных коферментов.
Рис. 6.18. Перенос атомов Н липоевой кислотой
К классу оксидоредуктаз относят цитохромы1. Из названия ясно, что
это окрашенные соединения. По своей природе – это сложные белки хромопротеины. Небелковая часть цитохромов подобно гему в гемоглобине
представлена железопорфирином. Атом железа находится в центре порфинового кольца, которое образовано пиррольными циклами и метиновыми
группами. В зависимости от строения железопорфирина все цитохромы делят на классы: А, В, С и D. В каждом классе выделяют индивидуальные цитохромы, которые различаются по составу белковой части. Индивидуальные цитохромы обозначают соответствующими латинскими буквами с индексом: а1, b1 и т.д. Другой способ обозначения индивидуальных цитохромов – указание в индексе характерной длины волны, при которой происходит поглощение в видимой области спектра.
Катион железа в цитохромах участвует в транспорте электронов и обратимо превращается из трехвалентного в двухвалентный (рис. 6.19).
Рис. 6.19. Схема участия цитохромов
в окислительно-восстановительных процессах
Важной особенностью цитохромов является их способность агрегировать и образовывать цитохромную систему. Принимая электроны от субстрата или от других ферментов, цитохромы передают их по цепочке друг
другу, осуществляя окислительно-восстановительные превращения.
_______
1
80
– От греч. cito – клетка; hromos – цвет.
Каталаза и пероксидаза также содержат гемовое железо (гемопротеины, железопорфирины), которое участвует в переносе электронов (рис.
6.20). Оба фермента являются компонентами антиоксидантной системы организма и разлагают ядовитый перексид водорода.
Рис. 6.20. Действие каталазы и пероксидазы
6.5.2 Трансферазы
Трансферазы – катализируют перенос различных групп с одного субстрата (донор) на другой (акцептор). Названия строят по принципу:
донор : акцептор – переносимая группа-трансфераза.
В зависимости от переносимой группы трансферазы подразделяют на
несколько подклассов.
Аминотрансферазы катализируют перенос NH2-группы в обмен на
карбонил (=С=О). Все представители этого подкласса двухкомпонентны.
Их простетическая группа, пиридоксаль (витамин В6), присоединяется к
апоферменту через свою альдегидную группу и ионной связью – через
остаток фосфорной кислоты.
Схему реакции можно представить на примере фермента аспартатаминотрансферазы (рис. 6.21).
Рис. 6.21. Схема переаминирования
Фосфотрансферазы ускоряют реакции переноса остатка фосфорной
кислоты на спиртовые, карбоксильные, азотсодержащие и другие группы,
превращая их в фосфорные эфиры. Такие реакции имеют большое значение
для жизнедеятельности организма, поскольку образованные соединения
приобретают повышенную реакционную способность и активно вступают в
дальнейшие превращения.
81
Например, активация глюкозы (рис. 6.22) может катализироваться
двумя фосфотрансферазами – глюкокиназой и гексокиназой, но с образованием одинакового производного – глюкозо-6-фосфата.
Рис. 6.22. Активация глюкозы при участии фосфотрансфераз:
гексокиназа активирует глюкозу в мышцах и других органах,
а глюкокиназа – в клетках печени
Гликозилтрансферазы катализируют перенос углеводных остатков из
молекул фосфорных эфиров или других соединений к молекулам моносахаридов, полисахаридов или других веществ, обеспечивая синтез и распад ди-,
олиго- и полисахаридов. В случае переноса моносахаридных остатков на молекулу Н3РО4 реакции называют фосфоролизом. Например, распад сахарозы
может протекать при каталитическом действии сахарофосфорилазы (рис.
6.23). Формально этот процесс аналогичен гидролизу. Только вместо фрагментов воды по месту разрыва кислородного мостика присоединяются водород и фосфатная группа – оба из молекулы фосфорной кислоты.
Рис. 6.23. Фосфоролиз сахарозы
82
Ацилтрансферазы переносят кислотные остатки – ацилы. Универсальным катализатором является кофермент ацилирования, сокращенно
КоА. За его открытие и значения для промежуточных стадий метаболизма
Ф.А. Липман удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине
1953 года.
КоА имеет нуклеотидную структуру. Подобно НАД (НАДФ), ФМН и
ФАД содержит нуклеотид аденозин, который через дифосфатную группировку соединяется с витамином В3 (пантотеновая кислота) и аминоэтантиолом (рис. 6.24).
Рис. 6.24. Структура кофермента ацилирования
Активным центром кофермента ацилирования является SH-группа, поэтому сокращенно кофермент часто обозначают НSКоА. Связывание кислотных остатков происходит по месту атома S, а возникающая связь является макроэргической. В результате кислотные остатки легко вовлекаются в
обменные процессы. В действительности реакция АТФ-зависима, но схематично ее можно изобразить как на рис 6.25.
Рис. 6.25. Активирование кислоты при участии ацетил-КоА
Производные кислот и КоА называют по аналогии с солями кислот:
ацетил-КоА, бутирил-КоА, кротонил-КоА, стеарил-КоА и т.д.
Метилтрансферазы участвуют в метилировании разных субстратов,
например, азотистых оснований НК. Коферментами являются тетрагидрофолиевая кислота, производное витамина В9 (фолиевая кислота) и S+аденозилметионин (рис. 6.26).
Рис. 6.26. Структура S+-аденозилметионина
83
6.5.3 Гидролазы
Гидролазы – катализируют разрыв (иногда синтез) связей с участием
молекулы воды. Это единственный класс, в котором все ферменты однокомпонентные. Называя гидролазы, придерживаются принципа:
субстрат : отщепляемая группа - гидролаза
Однако именно для ферментов этого класса сохраняются тривиальные
названия. Подразделяют на несколько подклассов в зависимости от субстрата, на который действуют.
Эстеразы – ускоряют гидролиз сложноэфирных связей. Важнейшие
подклассы эстераз – гидролазы эфиров карбоновых кислот и фосфатазы.
Примером гидролаз эфиров карбоновых кислот может служить липаза, которая катализирует разрыв внешних, так называемых α-сложноэфирных
связей триглицеридов.
Рис. 6.27. Действие липазы
По такой схеме протекает гидролиз простых липидов при переваривании жиров у человека под влиянием липазы поджелудочной железы. Образующиеся β-моноглицериды направляются на ресинтез жира в стенке кишечника либо полностью гидролизуются до глицерина и жирных кислот
при участии эстеразы печени.
Фосфатазы – катализируют гидролиз фосфорноэфирных связей. Большое значение имеют фосфатазы, действующие на сложные эфиры фосфорной кислоты и углеводов (рис. 6.28).
Рис. 6.28. Дефосфорилирование глюкозо-1-фосфата:
реакция катализируется D-глюкозо-1-фосфат:фосфогидролазой
Гликозидазы – ускоряют гидролиз гликозидов, например, ди- и полисахаридов. Ферменты высокоспецифичны и различают α- и β-формы сахаров, как, например, на рис 6.29.
84
Рис. 6.29. Гидролиз мальтозы мальтазой (α-глюкозидазой)
Пептидгидролазы – катализируют гидролиз пептидных связей в пептидах и белках. Пептидгидролазы разделяют по месту действия на протеиназы и пептидазы. Протеиназы расщепляют внутренние пептидные связи,
то есть являются эндопептидазами. Пептидазы действуют на внешние пептидные связи, и, следовательно, являются экзопептидазами. Экзопептидазы,
в свою очередь, делятся на амино- и карбоксипептидазы, в зависимости от
того, с какого конца гидролизуют пептидную связь. Аминопептидазы отщепляют N-концевые аминокислоты, карбоксипептидазы ускоряют гидролиз С-концевых аминокислот (рис. 6.30).
С открытием экзопептидаз связан большой прорыв в биохимии. Эти ферменты позволили устанавливать последовательность аминокислот в белках. До
этого в результате гидролиза белков получалась смесь аминокислот и выяснить
их чередование, то есть первичную структуру белка не представлялось возможным. Например, за открытие первичной структуры гормона пептидной природы инсулина Ф. Сенгеру1 была присуждена Нобелевская премия.
Рис. 6.30. Область действия различных пептидаз
В молочной промышленности большое значение имеет сычужный
фермент (пепсин или реннин2) – протеиназа, сычуга сельскохозяйственных
животных, которая высокоспецифична по отношению к основному белку
молока – казеину.
_______
1
– Ф. Сенгер дважды лауреат Нобелевской премии по химии 1958 года «За установление
структур белков, особенно инсулина» и 1980 года «За фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК».
2
– Пепсин – фермент взрослых животных; реннин (химозин) – фермент молодняка.
85
И пепсин, и реннин избирательно действуют на связь, образованную
105-й и 106-й аминокислотами Фен и Мет.
В результате гидролиза этой связи в казеине от него отщепляется
большой гидрофобный фрагмент, казеин денатурирует и выпадает в осадок
(рис. 6.31).
Рис. 6.31. Схема гидролиза казеина сычужным ферментом
Амидазы – катализируют гидролиз С-N-связей, но не пептидных.
Например, синтез мочевины в орнитиновом цикле протекает при участии
аргинин:урео-гидролазы (рис. 6.32).
Рис. 6.32. Действие амидазы
6.5.4 Лиазы
Лиазы – катализируют негидролитический разрыв связей. В зависимости от расщепляемой связи подразделяют на несколько подклассов.
Углерод-кислород-лиазы расщепляют связи между атомами углерода и
кислорода, иначе дегидратазы и гидратазы (рис. 6.33).
86
Рис. 6.33. Примеры действия углерод-кислород-лиаз:
а – разложение углекислоты под действием карбоангидразы (карбонат:гидролиаза); б – фумаратгидратаза (фумарат:гидро-лиаза)
Углерод-углерод-лиазы расщепляют связи между атомами углерода.
Например, пируватдекарбоксилаза, или карбоксилиаза-2-оксопропановой
кислоты.
Рис. 6.34. Декарбоксилирование ПВК
Углерод-азот-лиазы действуют на связи между атомами углерода и
азота, как, например, аспартатаммиаклиаза. Ее международное название Lаспартат : аммиак-лиаза (рис. 6.35).
Рис. 6.35. Внутримолекулярное дезаминирование
6.5.5 Изомеразы
Изомеразы – катализируют изомерные превращения внутри одной
молекулы. Делят на подклассы в зависимости от вида структурных изменений.
Рацемазы и эпимеразы, например, ускоряют инверсию асимметричных групп. Рацемазы осуществляют превращения в молекулах с одним
87
асимметричным центром. Например, аланин-рацемаза катализирует превращение D-Ала в L-Ала (рис. 6.36).
Рис. 6.36. Действие рацемазы
Эпимеразы катализируют изомерные превращения в молекулах с
несколькими асимметричными центрами. УДФ-глюкозо-4-эпимераза катализирует превращение УДФ-1-глюкозы в УДФ-1-галактозу (рис. 6.37).
Рис. 6.37. Действие эпимеразы
Цис-транс-изомеразы ускоряют превращения геометрических изомеров. Примером может служить малеинат-цис-транс-изомераза.
88
Рис. 6.38. Обратимое превращение малеиновой кислоты в фумаровую
Внутримолекулярные оксидоредуктазы осуществляют взаимные
превращения альдоз в кетозы.
С участием этих ферментов окисляются =СН–ОН группы и восстанавливаются карбонильные =С=О, например, как показано на рис. 6.39, при
действии D-глицеральдегид-3-фосфат:кетол-изомеразы (5.3.11).
Рис. 6.39. Действие внутримолекулярной оксидоредуктазы
Внутримолекулярные трансферазы (мутазы) переносят различные
группы с одной части молекулы на другую. D-фосфоглицерат:2,3фосфомутаза катализирует превращение 3-ФГА в 2-ФГА (рис. 6.40).
Рис. 6.40. Действие мутазы
89
6.5.6 Лигазы (синтетазы)
Лигазы (синтетазы) – катализируют синтез веществ с использованием
энергии фосфорной связи из АТФ и ее аналогов (ГТФ, ЦТФ, УТФ). Делят
на подклассы в зависимости от синтезируемой связи.
Углерод-сера-лигазы катализируют образование связей между атомами
углерода и серы. Среди этого подкласса большое значение имеют ацилКоА-синтетазы. Их действие тесно связано с ацил-трансферазами (см. раздел 6.5.2).
Углерод-углерод-лигазы катализируют образование связей между атомами углерода, например, в реакциях карбоксилирования, так называемые
карбоксилазы (рис. 6.41). Способствуют удлинению углеродной цепочки.
Рис. 6.41. Действие ацетил-КоА:СО2-лигазы
Углерод-азот-лигазы способствуют образованию связей между
атомами углерода и азота, например при синтезе пантотеновой кислоты
(рис. 6.42).
Рис. 6.42. Синтез пантотеновой кислоты
Углерод-кислород-лигазы катализируют образование связей между
атомами углерода и кислорода. Играют важную роль в активировании кислот.
При этом ацилы переносятся на АТФ с образованием макроэргической
связи (рис. 6.43).
90
Рис. 6.43. Активирование кислоты
Вопросы для самоконтроля:
1. Определение и химическая природа ферментов (простые и сложные).
2. Строение ферментов. Небелковые компоненты ферментов.
3. Множественные молекулярные формы ферментов.
4. Три стадии ферментативного катализа. Схема взаимодействия с субстратом: теории
Фишера и Кошленда.
5. Механизм действия простых и сложных ферментов.
6. Кинетика ферментативных реакций.
7. Специфичность ферментативного действия. Виды специфичности. Примеры.
8. Термолабильность ферментов.
9. Чувствительность ферментов к значению рН среды.
10. Зависимость ферментов от посторонних веществ. Активаторы и ингибиторы ферментов. Виды ингибирования.
11. Номенклатура и классификация ферментов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.
91
ГЛАВА 7. ВИТАМИНЫ
Витамины – группа эссенциальных1 микронутриентов, участвующих в регуляции и ферментативном обеспечении большинства метаболических процессов.
Они обеспечивают нормальную жизнедеятельность организма, участвуют
в процессе усвоения других пищевых веществ, повышают трудоспособность
человека и сопротивляемость вредным воздействиям окружающей среды.
Дефицит витаминов – гиповитаминоз проявляется неспецифическими
признаками, такими, как быстрая утомляемость, потеря аппетита, плохая
сопротивляемость к инфекциям и пр.
Отсутствие витамина в организме – авитаминоз сопровождается характерными для данного витамина признаками. Например, D-авитаминоз
приводит к рахиту, С-авитаминоз вызывает цингу. Причинами гипо- и авитаминозов являются: недостаток витаминов в рационе, повышенная потребность в период роста и больших физических нагрузок, заболевания желудочно-кишечного канала, прием антибиотиков и др.
Вызвать авитаминоз могут антивитамины. К ним относят вещества,
обладающие структурным сходством с определенным витамином. Они
встраиваются в цепочку реакций и действуют по типу конкурентного ингибитора. В результате естественный процесс, контролируемый данным витамином, становится невозможным. Либо вещества, вызывающие структурную модификацию витамина настолько, что биологический эффект витамина снижается или утрачивается.
Гипервитаминоз – избыточное содержание витамина. Возможен, как правило, при передозировке витаминов, главным образом, жирорастворимых.
Витамины принято обозначать большими латинскими буквами А, В, С
и т.д. Также у каждого витамина есть химическое название, в котором отражена структура витамина. Еще витамины называют по заболеванию, которое они излечивают, с добавлением приставки анти-. По физикохимическим свойствам все витамины делят на водорастворимые (С и группа В) и жирорастворимые (А, D, E, F, К).
7.1 Витамин А, ретинол, антиксерофтальмический
Строение витамина. По структуре представляет циклический полиненасыщенный одноатомный спирт.
В организме спиртовая группа защищена от окисления путем образования сложноэфирной связи (рис. 7.1). Поэтому в тканях витамин
запасается в более устойчивой форме – в виде сложных эфиров, например,
_______
1
Эссенциальные (незаменимые) – пищевые вещества, не образуются в организме человека и
обязательно поступают с пищей для обеспечения его жизнедеятельности. Их дефицит в питании
приводит к развитию патологических состояний.
92
с пальмитиновой кислотой. Также в виде эфиров он, как правило, входит в
состав витаминных комплексов.
Рис. 7.1. Структура витамина А и защита ОН-группы
Биологическая роль. В тканях организма ретинол окисляется до альдегида ретиналя и ретиноевой кислоты (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Образование активных форм витамина А
Ретиналь участвует в фотохимическом акте зрения. Этот процесс хорошо изучен. Светочувствительный аппарат глаза сетчатка1 содержит два
вида рецепторных клеток: палочки и колбочки. Палочки реагируют на слабое сумеречное освещение с помощью зрительного пигмента родопсина
(зрительный пурпур), а колбочки воспринимают хорошее дневное освещение при участии иодопсина. Родопсин и иодопсин – это сложные белки, обладающие ферментативной активностью, их коферментами является 11цис-ретиналь2.
Ретиноевая кислота избирательно влияет на синтез белков. Роль ретиноевой кислоты при этом подобна действию стероидных гормонов. Ретиноевая кислота взаимодействует со специфичными ей рецепторными клетками-мишенями. В результате возникает рецепторный комплекс, который
стимулирует транскрипцию генов. Белки, образующиеся на синтезируемых
информационных РНК, обладают характерной функциональной активно_________
1
2
– Ретинол – от названия сетчатки глаза (ретина)
– Существует и транс-ретиналь, образующийся при поглощении белком света
93
стью – влияют на рост, дифференцировку клеток, репродукцию и эмбриональное развитие. Поэтому витамин А считают витамином роста.
Также при посредстве ретиноевой кислоты синтезируются белкиантитела, участвующие в формировании иммунитета организма. В этой связи витамин А относят к антиинфекционным. Образование ретиноевой кислоты приводит к необратимым потерям витамина А, поскольку кислота не
может восстанавливаться до альдегида. Восстановление потерь происходит
из резервных запасов – эфиров ретинола.
Авитаминоз. Основной признак – нарушение сумеречного зрения или
«куриная» слепота, при этом человек и животные теряют способность видеть в темноте. Следующая стадия – ксерофтальмия сопровождается сухостью конъюктивы глаза, ороговением эпителия слезного канала, и как результат сухостью рогивицы глаза. В результате развивается конъюнктивит.
Прогрессирующий недостаток витамина А приводит к кератомаляции, то
есть изъязвлению, помутнению и размягчению роговой оболочки. Без соответствующего лечения может произойти полная потеря зрения.
Источники витамина А – жиросодержащие животные продукты: рыбий жир, сливочное масло, печень, желток яйца. В растительных продуктах
содержится провитамин, то есть предшественник витамина А – каротин.
Известны α-, β- и γ-каротины. Наибольшей витаминной ценностью обладает
β-каротин, поскольку из одной его молекулы образуется две молекулы витамина А. В природных источниках изомерам каротина сопутствуют родственные по строению растительные пигменты – каротиноиды, некоторые
из которых также обладают провитаминной активностью. В слизистой
оболочке кишечника и клетках печени каротиноиды превращаются в активную форму витамина А под действием фермента каротиндиоксигеназы. Каротин и каротиноиды имеют характерную желто-оранжево-красную окраску и содержатся в так называемой группе желтых овощей и зелени: морковь, шпинат, красный перец, тыква.
7.2 Витамин D3, кальциферол, антирахитный
Строение витамина. Витамин D представлен несколькими соединениями. Для человека и животных активны формы D2 и D3. С химической точки зрения все они являются полициклическими непредельными одноатомными спиртами, то есть производными стеролов.
Витамин D2 синтезируется из эргостерина в дрожжах, грибах и растениях, а витамин D3 – из холестерина в коже человека и животных. Соответственно название витамина D2 – эргокальциферол, а витамина D3 – холекальциферол (рис. 7.3). Синтез обоих производных запускается под воздействием ультрафиолетовых лучей.
Биологическая роль. Витамин участвует в поддержании нормальной
концентрации Ca2+ и PО43– в крови. Витамин D3 окисляется в печени и почках до кальцитриола, обладающего гормональной активностью. Из почек
94
кальцитриол транспортируется с кровью в кишечник, где в клетках слизистой стимулирует выработку кальций-связывающего белка. В костной ткани кальцитриол вызывает деминерализацию кости, а в почечных канальцах
усиливает реабсорбцию кальция и фосфатов. В результате увеличивается
концентрация кальция и фосфатов в крови.
Рис. 7.3. Структуры витаминов D2 (эргокальциферол) и D3 (холекальциферол)
Авитаминоз. У детей развивается рахит (ослабление костного скелета). У
взрослых – снижение содержания Ca2+ в крови, что влечет за собой инактивацию кальций-зависимых ферментов, повышение нервно-мышечной возбудимости, нарушение свертываемости крови, остеомаляцию.
Источники. Печень рыб, сливочное масло, молоко, желток яйца,
дрожжи.
7.3 Витамин Е, токоферол, антистерильный
Строение витамина. Известно несколько токоферолов, являющихся
производными токола и хромана. Витамеры имеют схожее строение и обозначаются буквами греческого алфавита. В природе широко распространены α-, β-, γ-токоферолы, отличающиеся числом метильных групп.
Наибольшей витаминной активностью обладает α-токоферол (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Структура витамина Е
Биологическая роль. Витамин Е – это природный антиоксидант. Он
предотвращает свободно радикальные процессы в клетках, препятствует
перекисному окислению липидов и разрушению двойных связей в других
соединениях, например, в боковой ветви витамина А, что способствует
поддержанию запасов ретинола в организме.
95
Сохранение двойных связей особенно важно для остатков высших
жирных кислот, встроенных в клеточные мембраны, поскольку благодаря
этому целостность клеточной мембраны не нарушается. Подобными свойствами обладает один из селенсодержащих белков – глутатионпероксидаза.
Это объясняет, почему в присутствии витамина Е потребность в данном
ферменте снижается, а также то, почему концентрация селена в рационе
находится в зависимости от содержания витамина Е в продуктах.
Неокончательно выяснена, но установлена положительная связь между
витамином Е и транспортом протонов и электронов при биологическом
окислении.
Авитаминоз. Нарушение функции размножения, изменения репродуктивных органов, приводящие к бесплодию. У женских особей сохраняется
способность к зачатию, но из-за поражения плаценты происходят самопроизвольные выкидыши. У мужских особей – дегенеративные изменения в семенниках, не восстанавливающиеся при приеме витамина Е, что приводит к стерильности.
Проявлениями Е авитаминоза являются также жировая дегенерация печени, мышечная дистрофия, парезы, параличи. У недоношенных детей
наблюдаются признаки гемолитической анемии, возможно из-за разрушения
мембран эритроцитов в результате ПОЛ [4].
Для человека Е авитаминоз – довольно редкое явление, поскольку витамин Е, во-первых, достаточно распространенное соединение, а, во-вторых, он
откладывается во многих тканях организма. Считается, что авитаминоз не
наблюдается даже если витамин Е отсутствует в рационе в течение нескольких месяцев.
Источники. Различные семена, растительные масла, мясо, молоко, желток яйца, масло сливочное, дрожжи, соя, горох, ягоды шиповника, облепиха,
капуста.
Содержание витамина Е в коровьем молоке в 10 раз меньше, чем в женском, поэтому детям, находящимся на искусственном вскармливании, показано применение данного витамина.
7.4 Витамин К, нафтохинон, антигеморрагический
Строение витамина. По химической природе это циклический непредельный дикетон (рис. 7.5).
Биологическая роль. Витамин К участвует в процессе свертывания крови
путем перевода ряда неактивных белковых предшественников в активную
форму. Витамин К является кофактором γ-глутамилкарбоксилазы, под действием которой в γ-положение глутаминовой кислоты дополнительно вводится карбоксильная группа, необходимая для связывания Са. Таким образом,
например, неактивный протромбин превращается в активный тромбин. Тромбин, в свою очередь, способствует переводу растворимого в воде фибриногена
в нерастворимый фибрин, который служит основой тромба.
96
Рис. 7.5. Структура витамина К
Авитаминоз. Снижение свертываемости крови, что приводит к различным кровоизлияниям (геморрагиям). Любые повреждения сосудов могут
привести к обильным кровотечениям.
У человека авитаминоз К встречается реже, чем другие авитаминозы
[1]. Объясняется это двумя обстоятельствами. Во-первых, различные продукты довольно богаты этим витамином. Во-вторых, витамин синтезируется
микрофлорой кишечника.
Источники. Витамин К синтезируется в зеленых растениях и некоторыми микроорганизмами, поэтому им богаты капуста, шпинат, крапива, ягоды рябины, дрожжи. Из животных продуктов основной источник – печень
свиньи.
7.5 Витамин F, полиненасыщенные жирные кислоты
Строение витамина. В группу витамина F входят три высшие жирные
кислоты: линолевая, линоленовая и арахидоновая.
Полиненасыщенные высшие жирные (ПНЖК) кислоты содержат две и
более двойных связей между углеродными атомами (рис. 7.6). Иначе их часто называют ω-3- и ω-6-кислоты1.
В группу ω-6-кислот входят арахидоновая и линолевая кислоты, линоленовая относится к ω-3-кислотам.
Биологическая роль. Полиненасыщенные жирные кислоты являются
структурными элементами клеточных мембран и обеспечивают нормальное развитие и адаптацию организма человека к неблагоприятным факторам окружающей среды.
Витамин участвует в обмене липидов. Препятствует отложению жира и
способствует выведению холестерина из организма, тем самым предупреждает развитие атеросклероза. Кроме этого арахидоновая кислота – это субстрат
для синтеза простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов в организме
человека. Предшественником арахидоновой кислоты является линолевая
кислота.
________
1
– Буквой ω обозначают последний углеродный атом кислоты, а цифрами 3 и 6 – положение
двойной связи, начиная от этого атома.
97
Рис. 7.6. Полиненасыщенные жирные кислоты
Авитаминоз. Дефицит витамина влияет на состояние кожных и волосяных покровов. Наблюдаются сухость слизистых оболочек, шелушение кожи,
выпадение волос, ломкость ногтей.
Источники. Жирные сорта рыб и некоторые морепродукты, растительные масла, орехи.
7.6 Витамин В1, тиамин, антиневритный
Строение витамина. В структуре витамина В1 есть два гетероцикла:
пиримидиновый и тиазоловый. В кольце тиазола на атоме N локализован
положительный заряд, поэтому витамин находится виде соли – тиаминхлорида (рис. 7.7).
Рис. 7.7. Структура витамина В1
Биологическая роль. В составе ферментов декарбоксилаз кетокислот
участвует в углеводном и энергетическом обменах, обеспечивающих организм энергией и пластическими веществами. Например, в составе пируватдегидрогеназы витамин разрушает ядовитую для нервной системы ПВК, образующуюся в больших количествах при окислении углеводов. Поэтому
наибольшее значение витамин В1 оказывает на углеводный обмен.
Коферментная форма витамина, тиаминпирофосфат синтезируется путем
прямого переноса фосфорных остатков от АТФ:
Тиамин + АТФ → тиаминпирофосфат + АМФ.
98
Авитаминоз. При В1 авитаминозе развивается полиневрит, называемый
«бери-бери». Заболевание проявляется, во-первых, поражением периферической нервной системы (боли по ходу нервов, судороги, потеря кожной чувствительности, параличи, полупараличи). Во-вторых, страдает сердечнососудистая система (появление болей в области сердца, нарушение сердечного
ритма (стенокардия), увеличение размеров сердца).
Источники. Витамином богаты оболочки зерен. Единственное зерно,
которое содержит В1 во всем объеме – это рожь, поэтому источниками данного витамина служат ржаной хлеб, отруби, нешлифованные крупы. Из животных продуктов витамином богаты печень, почки, сердце, молоко, нежирные молочные продукты, дрожжи, бобовые.
7.7 Витамин В2, рибофлавин
Строение витамина.
Витамин представляет собой объединение флавинового комплекса и
спирта рибитола.
Рис. 7.8. Структура витамина В2
Биологическая роль. Все известные биологические функции рибофлавина осуществляются в виде двух коферментов – ФМН и ФАД. Их образование происходит в слизистой кишечника и после всасывания в других тканях по схеме:
Оба кофермента, и ФМН и ФАД в составе флавиновых ферментов катализируют специфические реакции ЦТК, β-окисления, ЦПЭ, обмена НК и
аминов.
Авитаминоз. Наиболее точным показателем дефицита витамина В2 является изменение его концентрации в эритроцитах. В норме содержание
99
рибофлавина в цельной крови составляет 20 мкг/100 мл [12]. Отсутствие витамина сопровождается дерматитами, шелушением кожи, особенно на лице,
покраснением слизистых. Кожа на губах трескается, в углах рта появляются
мелкие трещинки – заеды.
Источники. Витамин синтезируется большинством бактерий и грибов,
всеми зелеными растениями, поэтому он содержится во многих овощах и
фруктах. К продуктам, богатым витамином, также относятся печень, почки,
желток яйца, дрожжи. Однако по статистике для населения РФ основной
источник витамина В2 – молоко и молочные продукты. Объясняется это еще
и тем, что для молочнокислых палочек (Lactobacilli) В2 является фактором
роста, от его содержания в среде зависят кислотообразуюшие способности
этих микроорганизмов. Поэтому молоко и, особенно, кисломолочные продукты – важнейший источник витамина В2.
7.8 Витамин В3, пантотеновая кислота
Строение витамина. Пантотеновая кислота состоит из β-аланина и
пантоевой кислоты, соединенных пептидной связью (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Структура витамина В3
Биологическая роль. Витамин входит в состав кофермента А (КоА) и
ацилпереносящего белка (АПБ). Известно несколько десятков ферментов,
участвующих в липидном, углеводном и завершающем этапе белкового обмена, в составе которых есть производные КоА и АПБ.
Авитаминоз. Витамин получил свое название от греч. Pantothea – повсюду, как самый распространенный. Поэтому как таковой В3 авитаминоз
практически не встречается. В экспериментах с животными и добровольцами было установлено, что в отсутствие витамина появляется дерматит, поседение и выпадение волос, шерсти, перьев.
Источники. Особо богаты витамином печень, почки, мясо, рыба, яйца,
молоко, бобовые, злаковые, дрожжи.
7.9 Витамин В5, ниацин, антипеллагрический, РР
Строение витамина. Свойствами витамина В5 обладают два соединения: никотиновая кислота и ее амид (рис. 7.10).
Биологическая роль. Амид никотиновой кислоты входит в состав двух
коферментов НАД и НАДФ, на базе которых синтезируется более сотни
анаэробных оксидоредуктаз. Значительная часть НАД образуется при окислении незаменимой аминокислоты триптофан.
100
Рис. 7.10. Две формы витамина В5
Авитаминоз. В5 авитаминоз называют пеллагра, что в переводе с итальянского (pelle agra) означает шершавая кожа. Кожа на участках, подверженных солнечному излучению, утолщается, становится шершавой, бугристой, приобретает серый оттенок. На ней появляются пузыри, которые
вскрываются и медленно рубцуются.
Процесс сопровождается поражениями кишечника: тошнотой, болями
в области живота, геморрагиями на протяжении всего пищеварительного
канала, поносами с кровью. Если дефицит витамина сохраняется, то далее
поражается нервная система. Появляются головные боли, головокружение,
повышенная раздражительность, депрессия, ухудшение памяти и другие
симптомы. Все эти проявления называют триадой – тройное Д (дерматит,
диарея, деменция).
Источники витамина – это продукты, богатые ниацином, или продукты, содержащие незаменимую аминокислоту триптофан.
Ежедневное поступление триптофана уменьшает потребность организма
в витамине В5. Считается, что 60 мг триптофана в рационе эквивалентно 1 мг
ниацина [12]. Витамин содержится в мясе, печени и растительных продуктах,
за исключением кукурузы (отсутствует триптофан). Молочные продукты почти не содержат В5, но обладают антипеллагрическим эффектом благодаря
относительно высокому содержанию триптофана.
7.10 Витамин В6, пиридоксин
Строение витамина.
В группу витамина В6 объединяют три вещества: пиридоксол1, пиридоксаль и пиридоксамин (рис. 7.11).
Биологическая роль. Метаболическая активность витамина В6 проявляется в виде фосфорных эфиров — пиридоксаль-5-фосфата и пиридоксамин5-фосфата. Витамин выполняет роль кофермента и связывается с его белковой частью через фосфорные группы.
_______
1
Согласно опубликованным в 1970 г. рекомендациям Международной комиссии по номенклатуре биологической химии, все производные 3-оксипиридина с витаминной активностью
имеют общее (родовое) название «витамин В6», а производное с ОН-группой в положения 4 пиридинового ядра называют «пиридоксин» или «пиридоксол».
101
Рис. 7.11. Разные формы витамина В6
Витамин входит в состав аминотрансфераз, декарбоксилаз аминокислот, изомераз аминокислот и др.
Таким образом, витамин участвует в реакциях переаминирования, дезаминирования, декарбоксилирования аминокислот и влияет на обмен белков.
Авитаминоз. В случае В6 авитаминоза наблюдаются дерматиты, задержка роста, поражение центральной нервной системы, развитие анемии,
при которой количество гемоглобина падает до 30%.
Источники. Потребность в пиридоксине возрастает при высокобелковой диете и с возрастом. Хорошими источниками служат мясо, печень, почки, рыба, зерновые, бобовые, дрожжи.
7.11 Витамин В9, фолацин, фолиевая кислота
Строение витамина. Витамин состоит из птеринового цикла, γаминобензойной и глутаминовой кислот (рис. 7.12).
Рис. 7.12. Структура витамина В9
Биологическая роль. Участвует в переносе одноуглеродных остатков
(-СН3, -СН2ОН, -СНО), стимулируя тем самым синтез АК, белков, пуринов,
необходимых для синтеза нуклеиновых кислот. Предупреждает пороки развития плода.
Авитаминоз. В отсутствие витамина развивается микроцитарная анемия. При этом снижается содержание гемоглобина, эритроцитов и лейкоцитов в крови, происходит задержка роста.
102
Источники. Витамин получил название от лат. folium – лист и содержится в зеленых частях разных растений. Им богаты щавель, салат,
шпинат, зеленый лук, горох, а также печень, почки, молоко сухое, творог,
сыр, дрожжи.
7.12 Витамин В12, кобаламин, антианемический
Строение витамина.
Кобаламин относится к классу корриноидов – производных коррина,
структура которого родственна порфирину (рис. 7.13).
Различие заключается, во-первых, в том, что, в коррине есть частично
восстановленные пиррольные (пирролиновые) гетероциклы.
Во-вторых, в порфирине каждая пара пиррольных колец отделена метиновыми мостиками, а в коррине два кольца соединены друг с другом
напрямую.
Поэтому внутренний контур корринового макроцикла содержит на
один атом углерода меньше, чем порфириновый.
Рис. 7.13. Центральный фрагмент витамина В12
R/ – 5-дезоксиаденозин или СН3-группа
За установление структуры витамина В12 методом рентгеноструктурного анализа в 1964 году Д.К. Ходжкин была присуждена Нобелевская премия
по химии.
Биологическая роль.
Из витамина образуются два кофермента: метилкобаламин и 5-дезоксиаденозиаденозилкобаламин. Они входят в состав ферментов, участвующих в переносе метильных групп, атомов водорода (изомерные превращения), в превращении рибонуклеотидов до дезокисирибонуклеотидов.
Авитаминоз – макроцитарная, пернициозная (устаревшее – злокачественная) анемия. При этом появляются незрелые, большие эритроциты.
Наблюдается нарушение обмена нечетных ВЖК и разветвленных АК, задержка роста, поражение нервной системы.
Авитаминоз может быть вызван не отсутствием витамина В12 в рационе, а развиться при нарушении секреции желудка. Для всасывания кобаламина необходим «внутренний фактор» – особый гликопротеин, защищаю103
щий витамин В12 от разрушения кишечной микрофлорой. Дефицит витамина может наблюдаться у лиц, исключающих потребление животных продуктов.
Источники. В природе он синтезируется только одноклеточными микроорганизмами. Например, микрофлора рубца жвачных животных способна
включать кобальт в структуру витамина В12.
При наличии в пище кобальта симбиотическая микрофлора кишечника
человека также способна синтезировать небольшие количества этого витамина.
Ни животные, ни высшие растения не синтезируют витамин В12, но в
животных тканях он может накапливаться.
Поэтому источниками витамина служат только продукты животного
происхождения – печень, мясо, рыба, молоко, яйца.
7.13 Витамин С, аскорбиновая кислота, антицинготный
Строение витамина.
По своему строению это лактон гексоновой кислоты.
Благодаря наличию двух енольных гидроксилов в своей молекуле аскорбиновая кислота обладает сильным кислотным характером и может существовать в двух формах: окисленной (аскорбиновая) и восстановленной
(дегидроаскорбиновая), как показано на рис 7.14.
Рис. 7.14. Формы витамина С
Особенности строения обусловливают участие аскорбиновой кислоты
во множестве окислительно-восстановительных процессов в организме.
Витамин С играет большую роль в обмене белков, углеводов и жиров в
тканях; участвует в синтезе дезоксирибонуклеиновой кислоты и образовании стероидных оксигормонов надпочечников, в образовании дентина и
коллагена, а также межклеточных веществ хряща и кости.
Витамин С активирует функции других витаминов и многие процессы
в тканях.
Синтез аскорбиновой кислоты может происходить у всех видов животных, кроме морских свинок, обезьян и человека.
104
В организме человека и животных аскорбиновая кислота находится в
виде биохимических комплексов с белками.
В этом состоянии она является более устойчивой, но менее активной.
При гипо- и авитаминозах белки крови связывают значительно больше аскорбиновой кислоты, чем в норме.
Биологическая роль. Витамин участвует в ряде окислительновосстановительных процессов, связанных с переносом Н+ и ē. Например,
восстановление Fe3+ в Fe2+ происходит при участии аскорбиновой кислоты.
Витамин является кофактором гидроксилаз, участвущих в синтезе
коллагена, эластина, стероидных гормонов, адреналина, Hb. Также витамин
активизирует функции других витаминов.
Авитаминоз. Недостаток витамина С вызывает цингу, которую раньше
называли скорбут (отсюда другое название витамина – аскорбиновая кислота). При цинге, вследствие замедления синтеза коллагена и эластина, нарушаются структуры хрящевой и костной ткани, повышается проницаемость
сосудов, возникают кровотечения и кровоизлияния различного характера
(расшатывание зубов, кровоточивость десен, слизистых оболочек, мышц).
Источниками витамина С являются растительные продукты. В больших количествах аскорбиновая кислота содержится в шиповнике, черной
смородине, апельсинах, лимонах, ягодах рябины и др.
Витамин С – один из самых нестойких витаминов. При хранении овощей и фруктов он легко разрушается под действием кислорода воздуха и,
особенно в присутствии катионов меди и железа.
Витамин чувствителен к высокой температуре, особенно в щелочной
среде, а в кислой среде не разрушается даже при кипячении.
Высушивание кормовых и пищевых продуктов при повышенной температуре заметно снижает в них содержание витамина С.
Потери аскорбиновой кислоты при тепловой обработке могут достигать 60%. Однако в засилосованных кормах и заквашенных продуктах он
хорошо сохраняется.
Вопросы для самоконтроля:
1. Определение, общие свойства витаминов, их классификация.
2. Понятия: авитаминоз, гипо- и гипервитаминоз. Их причины.
3. Что такое антивитамины?
4. Роль витаминов в питании.
5. Какие витамины содержатся в жиросодержащих продуктах?
6. Какие витамины сопутствуют водной фазе продуктов?
105
ГЛАВА 8. ГОРМОНЫ
8.1 Уровни гормональной регуляции
Деятельность разных органов, тканей и физиологических процессов в
организме человека и высших животных находится под совместным контролем нервной системы и гормонов (гуморальных факторов) – нервногормональная (нейро-гуморальная) регуляция.
Ведущая роль в обеспечении согласованности действия различных органов и тканей принадлежит центральной нервной системе (ЦНС), которая получает, анализирует и преобразует сигналы из внутренней и внешней
среды в химическую форму.
Отдел ЦНС гипоталамус в ответ на нервные импульсы вырабатывает
нейрогормоны. На действие нейрогормонов реагирует придаток мозга гипофиз и синтезирует собственные гормоны. Гипофиз называют главной эндокринной железой, поскольку вырабатываемые им гормоны оказывают
влияние на работу других эндокринных желез. Это можно представить в
виде простой схемы (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Схема нервно-гормональной регуляции
8.2 Классификация и механизм действия гормонов
Гормоны – биологически активные вещества, вырабатываемые в
эндокринных железах животных и человека и оказывающие целенаправленное влияние на деятельность других органов и тканей.
106
Гормоны разносятся с током крови или по лимфатической системе и
имеют ряд общих признаков:
- дистанционный характер действия – синтезируются в одном месте, а
оказывают эффект в другом;
- роль посредника между ЦНС и тканями;
- высокая биологическая активность, поэтому требуются в ничтожно
низких концентрациях;
- специфичность эффекта: гормон оказывает влияние лишь на чувствительные к нему клетки-мишени;
- высокая скорость образования и распада, например, инсулин обновляется каждые 20 минут.
Классификация гормонов
Гормоны классифицируют разными способами: по месту синтеза, по
химической природе, по биологическому действию и по механизму действия (табл. 8.1).
Таблица 8.1 – Классификация гормонов по химической природе
Химический состав
Пептидные гормоны
Гормоны производные аминокислот
Стероидные гормоны
Примеры
Соматотропин, вазопрессин, инсулин
Тироксин, адреналин
Кортизол, альдостерон
Механизм действия гормонов
Гормоны действуют лишь на специфические клетки-мишени, у которых есть гормончувствительные рецепторы. По расположению рецепторов
клетки-мишени делят на мембранные и цитоплазматические. Соответственно различается и механизм действия гормонов (табл. 8.2).
Таблица 8.2 – Механизм действия гормонов
Мембранный
Характерен для пептидных гормонов, адреналина и 10% тиреоидных
Мембрана служит барьером для этих гормонов,
поэтому они не проникают внутрь клетки и взаимодействуют с рецепторами на поверхности
клетки-мишени
Гормонрецепторный комплекс активирует аденилатциклазу, в результате образуется цАМФ
(цГМФ), который запускает каскадный механизм
активации ряда ферментов, влияющих на обмен углеводов, липидов, белков
Цитоплазматический
Характерен для стероидных гормонов
и 90% тиреоидных
Гормоны обладают небольшими размерами и липофильными свойствами, поэтому проникают сквозь мембрану внутрь
клетки-мишени
Гормонрецепторный комплекс внедряется в ядро и влияет на синтез белков, как
правило, ферментов
8.3 Гормоны гипоталамуса
Непосредственный контроль над деятельностью гормонов осуществляет гипоталамус. Этот отдел промежуточного мозга объединяет высшие отделы ЦНС и эндокринные железы. Нервные клетки обрабатывают сигналы,
107
поступающие из внешней и внутренней среды, преобразуют их в химические вещества – нейромедиаторы и направляют в гипоталамус. В результате
в нервных клетках гипоталамуса образуются вещества, получившие название нейрогормонов. В настоящее время гормоны гипоталамуса называют
рилизинг-факторы (от англ. release – освобождать), или либерины. По химической природе все они – низкомолекулярные пептиды.
Гормоны гипоталамуса стимулируют или ингибируют секрецию
гормонов гипофиза.
Считается, что гормоны гипоталамуса строго специфичны в отношении
одного из гормонов гипофиза. Поэтому гормоны гипоталамуса называют
по гормонам гипофиза, на которые они оказывают свое действие.
У гормонов с активирующим эффектом добавляют окончание либерин,
с ингибирующим – статин. Например, «соматостатин» означает, что этот
гормон гипоталамуса ингибирует образование гормона гипофиза – соматотропина.
Или название «тиролиберин» обозначает гормон гипоталамуса, стимулирующий освобождение (и, возможно, синтез) тирротропина (ТТГ) – соответствующего гормона гипофиза [1]. В настоящее время открыто семь стимуляторов и три ингибитора секреции гормонов гипофиза (табл. 8.3).
Таблица 8.3 – Название гормонов гипоталамуса
Гормоны гипоталамуса
Стимулирующие
Соматолиберин
Ингибирующие
Соматостатин
Тиролиберин
Пролактостатин
Кортиколиберин
Меланостатин
Люлиберин
Фоллилиберин
Пролактолиберин
Либерин
8.4 Гормоны гипофиза
Гипофиз – это железа внутренней секреции, расположенная в основании головного мозга. В ответ на действие рилизинг-факторов гипофиз синтезирует и секретирует собственные гормоны (табл. 8.4).
Гормоны гипофиза влияют на деятельность других эндокринных
желез.
108
В этой связи гипофиз часто называют главной эндокринной железой.
Все гормоны, выделяемые гипофизом, имеют пептидную природу.
Таблица 8.4 – Гормоны гипофиза
Гормон
Эффект
Гормоны передней доли гипофиза
Соматотропин
Тиреотропин (ТТГ)
Адренокортикотропин (АКТГ)
Фолликулостимулирующий
гормон
Лютропин
(лютеинизирующий гормон)
Лактотропин
Контролирует рост
Контролирует функцию щитовидной железы
Контролирует функцию коры надпочечников
Активизирует рост половых желез
Стимулирует выработку тестостерона и прогестерона
Стимулирует выработку гормонов желтым телом
и лактацию
Гормоны задней доли гипофиза
Окситоцин
Вазопрессин
Ускоряет сокращения гладких мышц, способствует сокращению матки
Регулирует водный баланс организма и осмотическое давление крови
8.5 Гормоны периферических желез
8.5.1 Щитовидная железа
Щитовидная железа расположена на шее спереди по обе стороны от
дыхательного горла. Она синтезирует два гормона, которые являются производными аминокислоты тирозин – тетраиодтиронин (тироксин) и
трииодтиронин (рис. 8.2). Установлено, что активность трииодтиронина
по меньшей мере в три раза больше, чем активность тироксина.
Гормоны щитовидной железы контролируют общую скорость метаболизма, стимулируя дифференцировку клеток, синтез белков, процессы роста. Таким образом, иодтиронины являются синергистами соматотропина.
8.5.2 Паращитовидные железы
Это четыре железы, каждая размером с горошину, расположенные позади щитовидной железы. Несмотря на близкое соседство, работают совершенно самостоятельно. Синтезируемые паращитовидными железами гормоны паратгормон (паратирин) и кальцитонин являются пептидами, то
есть производными белков.
Паратгормон синтезируется в паращитовидных железах в ответ на
снижение концентрации кальция в крови. Паратгормон восстанавливает
нормальный уровень ионов кальция во внеклеточной жидкости разными
109
способами. Во-первых, путем прямого воздействия на кости и почки. При
этом Са2+ и фосфаты мобилизуются из кости во внеклеточную жидкость. В
почках паратгормон стимулирует реабсорбцию кальция в почечных канальцах, снижая экскрецию кальция с мочой. Одновременно, снижая реабсорбцию фосфатов из почек, паратгормон способствует уменьшению концентрации фосфатов во внеклеточной жидкости. Во-вторых, паратгормон нормализует уровень Са2+ косвенно, влияя на кальцитриол.
Рис. 8.2. Гормоны щитовидной железы:
а – тетраиодтиронин; б – трииодтиронин
Кальцитонин секретируется парафолликулярными К-клетками щитовидной железы или С-клетками паращитовидных. Секреция кальцитонина
возрастает при увеличении концентрации Са2+ в крови [4].
Кальцитонин – антагонист паратгормона и кальцитриола. Он ингибирует высвобождение Са2+ из кости и подавляет канальцевую реабсорбцию
ионов кальция в почках, тем самым стимулируя их экскрецию почками с
мочой. Скорость секреции кальцитонина у женщин сильно зависит от уровня эстрогенов. При недостатке эстрогенов секреция кальцитонина снижается. Это вызывает ускорение мобилизации кальция из костной ткани, что
приводит к развитию остеопороза.
8.5.3 Поджелудочная железа
Поджелудочная железа расположена в брюшной полости ниже желудка. Большая часть поджелудочной железы действует как пищеварительная и
выделяет в кишечник ферменты.
Другая часть выполняет работу эндокринной железы и вырабатывает
гормоны пептидной природы инсулин и глюкагон. Действие этих гормонов
многопланово. Из табл. 8.5 и 8.6 видно, что инсулин и глюкагон влияют на
обмен углеводов, липидов и белков [9].
110
Таблица 8.5 – Влияние инсулина на обмен веществ
Процесс
Действие гормона
Обмен
углеводов
Активирует:
транспорт глюкозы в клетки; дихотомический и апотомический пути окисления глюкозы; биосинтез гликогена
Ингибирует:
распад гликогена; глюконеогенез
Обмен
Активирует:
липидов
биосинтез ВЖК, ТАГ и липопротеинов
Ингибирует:
распад ТАГ; распад ВЖК в процессе βокисления; синтез кетоновых тел
Обмен белков Активирует:
поступление аминокислот в клетки тканей;
биосинтез белков в клетках тканей
Уменьшает:
концентрацию аминокислот в крови
Обмен
Активирует:
минеральных работу Na+, К+- насоса
веществ
Эффект
Снижение
уровня
глюкозы в крови
Способствует синтезу
липидов в организме
Способствует синтезу
белков в организме
Возрастает проницаемость мембран для
поступления К+ в
клетки
Таблица 8.6 – Влияние глюкагона на обмен веществ
Процесс
Обмен
углеводов
Обмен
липидов
Действие гормона
Эффект
Активирует:
распад гликогена; глюконеогенез
Ингибирует:
анаэробный и аэробный пути окисления глюкозы; биосинтез гликогена
Активирует:
распад ТАГ; распад ВЖК в процессе βокисления; синтез кетоновых тел
Ингибирует:
биосинтез ВЖК и ТАГ
Повышение уровня
глюкозы в крови
Способствует распаду липидов в организме
8.5.4 Надпочечники
Надпочечники состоят из двух слоев – мозгового и коркового.
Мозговое вещество вырабатывает два гормона адреналин и норадреналин (рис. 8.3), которые являются производными аминокислоты Тир. Адреналин увеличивает частоту и силу сердечных сокращений, повышает
кровяное давление, а также действует подобно глюкагону – способствует
расщеплению гликогена до глюкозы, вплоть до гипергликемии. Норадреналин вызывает сокращение кровеносных сосудов, вследствие чего повышается кровяное давление.
111
Рис. 8.3. Гормоны мозгового вещества надпочечников
Оба гормона входят в группу катехоламинов1 (медиаторы нервной системы). Участвуют в обмене веществ и приспособительных реакциях, обеспечивая постоянство внутренней среды организма.
Кора надпочечника синтезирует около 20 веществ стероидной природы. Почти половина из них обладают гормональным действием. Среди этих
гормонов выделяют глюкокортикоиды и минералокортикоиды.
Глюкокортикоиды воздействуют как на анаболические, так и на катаболические процессы в разных тканях. Основной глюкокортикоид человека – кортизол (рис. 8.4). Он контролирует углеводный, липидный и белковый обмены. Минералокортикоиды поддерживают уровень Na+ и К+ в организме. Наиболее активный минералокортикоид – альдостерон. Он влияет на
водно-солевой обмен, с одной стороны, задерживая Na+, Cl– и воду в тканях, с
другой, выводя К+ и NН4+ через почки, кишечник, слюнные и потовые железы.
Рис. 8.4. Гормоны коры надпочечников:
а – кортизол; б – альдостерон
8.5.5 Половые железы
Половые железы вырабатывают мужские и женские гормоны. Общим
их источником служит холестерин, а многие стадии синтеза совпадают, поэтому некоторые количества мужских и женских гормонов присутствуют у
особей противоположного пола. Женские гормоны – эстрогены и прогестерон (рис. 8.5). Они секретируются в разные фазы цикла: эстрогены – до
овуляции, а прогестерон – после. В яичниках синтезируются эстрогены, которые обеспечивают развитие вторичных половых признаков, создают оптимальные условия для оплодотворения яйцеклетки.
_________
1
Производных пирокатехина (катехола).
112
Желтым телом вырабатывается прогестерон. Если происходит оплодотворение яйцеклетки, прогестерон способствует закреплению оплодотворенного яйца в матке и нормальному протеканию беременности. Мужской
половой гормон – тестостерон вырабатывается в семенниках. Он обусловливает появление вторичных половых признаков и созревание спермы.
Рис. 8.5. Половые гормоны:
а – тестостерон; б – прогестерон
8.6 Гормоноподобные соединения
Гормоноподобные соединения, или гормоноиды, иначе называют простагландины, так как впервые были обнаружены в экстрактах предстательной железы – простаты. В отличие от истинных гормонов синтезируются по
месту действия, поэтому их называют местными регуляторами в клетке.
Участвуют в поддержании гомеостаза организма, влияя на сокращение гладких мышц, воспалительные реакции и другие процессы. По химической природе – это полинепредельные кислоты С20, имеющие пятичленный цикл.
Конформация напоминает шпильку (рис. 8.6). Одним из общих предшественников является арахидоновая кислота. Простагландины классифицируют по числу двойных связей на PG1, PG2, PG3, а также по виду и положению
заместителей в циклопентановом кольце на А, В, С, D, E и F.
Рис. 8.6. Примеры простагландинов:
а – PGF2 содержит ОН-группу в положении 9 циклопентанового кольца,
PGE2 – в этом положении содержит карбонильный атом
Вопросы для самоконтроля:
1. Гормоны, определение. Классификация.
2. Механизм действия пептидных и стероидных гормонов.
3. Гормоны гипофиза.
4. Гормоны щитовидной и паращитовидной желез.
5. Гормоны мозгового и коркового слоев надпочечников.
6. Гормоны поджелудочной железы.
7. Гормоны половых желез.
113
ГЛАВА 9. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ
Обмен веществ – это непрерывный, самосовершающийся, саморегулирующийся процесс синтеза и распада биологических молекул,
обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения.
Обмен веществ включает в себя процессы трех видов (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Виды процессов в обмене веществ
Также в обмене веществ часто оперируют понятиями: внешний и внутренний.
Под внешним обменом понимают превращения веществ вне клетки на
путях их поступления и выделения. Внутренний или промежуточный обмен – это превращения веществ внутри клетки с момента их поступления
до образования конечных продуктов.
Кроме этого в динамической биохимии пользуются термином метаболизм (от греч. metabole – перемена, превращение). В наиболее употребительном значении он является синонимом обмена веществ и энергии.
В более точном и узком смысле метаболизм означает промежуточный
обмен. При этом термин «метаболизм» относят и к отдельному классу соединений или определенному веществу (например, метаболизм белков, метаболизм углеводов).
В метаболизме выделяют два противоположно направленных процесса:
анаболизм и катаболизм (рис. 9.2).
Катаболические процессы протекают поэтапно.
Каждый этап характеризуется разной степенью деструкции субстратов
и различным энергетическим эффектом, как показано в табл. 9.1.
114
Рис. 9.2. Две стороны метаболизма
Таблица 9.1 – Этапы катаболизма
Характеристика
Распад биополимеров до мономеров (белки – до аминокислот, крахмал – до
глюкозы, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов и т.д.). Энергетической ценности не имеет, поскольку на данном этапе выделяется примерно 2% всей энергии,
заключенной в химических связях. Биологическая значимость – расщепление
сложных структур, поскольку дальнейшим превращениям могут подвергаться
только мономеры
Распад мономеров, при котором выделяется около 20% энергии, заключенной
в химических связях. Часть ее рассеивается в виде тепла, часть запасается в макроэргических связях АТФ. При этом фосфорилирование АДФ происходит при
снятии фосфорного остатка с субстрата. Отсюда термин «субстратное фосфорилирование». Примером может служить синтез АТФ при образовании ПВК:
Окончательный
Частичный
Подготовительны
Этап
Особенность данного этапа – анаэробные условия. В этом заключается его
биологическая ценность – обеспечение организма энергией в бескислородных
условиях. Такие моменты есть и у аэробных организмов. Например, у человека и
животных анаэробные условия в тканях считаются нормой при переходе от состояния покоя к выполнению любой физической нагрузки или при увеличении
нагрузки
Распад метаболитов до Н2О и СО2. Особенность этапа – аэробные условия и
максимальное выделение энергии – до 80%. В этом случае вся энергия запасается
в виде АТФ, который синтезируется при переносе протонов и электронов с помощью окислительно-восстановительных ферментов. Этот способ синтеза АТФ
называют фосфорилирование АДФ на уровне электронотранспортной (дыхательной) цепи. Именно этот этап часто называют «биологическое окисление» или
«тканевое дыхание».
115
Первые два этапа катаболизма специфичны для каждого вида субстратов. Например, распад глюкозы до ацетил-КоА идет через гликолиз, а распад жирных кислот – через β-окисление. Но завершается 2-й этап образованием нескольких ключевых соединений: ПВК, ацетил-КоА, ЩУК, которые
могут вовлекаться в 3-й этап – универсальный для всех метаболитов.
Рис. 9.3. Стадии катаболизма
Третий этап катаболизма – биологическое окисление (тканевое дыхание) включает две стадии: ЦТК и «дыхательная цепь». Схематично катаболизм субстратов показан на рис. 9.3.
9.1 Классические и современная теории
биологического окисления
Одним из первых, кто заинтересовался биологическим окислением,
был А.Л. Лавуазье. При дыхании живых организмов и горении свечи выделяется СО2. На основании этих экспериментов Лавуазье выдвинул предположение, что дыхание является формой горения. По его мнению, различные
вещества окисляются с одинаковым энергетическим эффектом, как вне живых организмов, так и внутри них.
Изучение окислительно-восстановительных процессов в живой природе
особенно активизировалось с открытием ферментов. Теория А.Л. Лавуазье
получила развитие спустя 100-летие в работах основоположника отечественной биохимии А.Н. Баха, который высказал предположение о роли ферментов
в окислительно-восстановительных процессах в живых организмах (табл. 9.2).
116
Таблица 9.2 – Теории биологического окисления
«Активация водорода»
В.И. Палладин (1908)
«Активация кислорода»
А.Н. Бах (1897)
«Окисление – это горение»
А.Л. Лавуазье (1777 г.)
Теория,
авторы
Сущность
Классические теории
- при дыхании кислород в тканях соединяется с
углеродом и водородом с образованием СО2 и
Н2О; при этом выделяется энергия
- энергетический эффект при окислении органических веществ (например глюкозы) в организме
и вне его один и тот же:
атмосферный кислород реагирует с ферментом
оксигеназой с образованием перекиси, которая и
окисляет субстрат:
окисление – отщепление водорода под действием
ферментов дегидрогеназ:
Недостатки
- горение проходит при высоких температурах, без воды, энергия освобождается
одномоментно в виде теплоты;
- окисление протекает при
сравнительно низких температурах (36,5–37)°С и менее,
без пламени, в присутствии
большого количества воды,
энергия выделяется поэтапно
в виде макроэргических соединений
- теория применима к
растениям, которые
содержат большое
количество ненасыщенных
соединений;
- не объясняет суть
окислительновосстановительных процессов у анаэробных организмов
- теория справедлива для
низших растений,
анаэробных микробов и
многих тканей высших
организмов, но не применима к действию таких оксидоредуктаз, как цитохромы
О. Варбург,
А. Сент-Дьёрдьи,
В.А.Энгельгард
и др.
Современная теория
- окисление – это отщепление Н+ и ē или присоединение О2;
- восстановление – присоединение Н+ или ē или
отщепление О2
Fe2+ – ē → Fe3+ (окисление)
Без недостатков. Теория
приемлема как для аэробных, так и анаэробных организмов
Fe3+ + ē → Fe2+ (восстановление)
117
9.2 Цикл трикарбоновых кислот
Процесс является аэробным. Протекает в митохондриях при участии
кислорода. Иначе называют цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), энергетический котел – за высокий энергетический
эффект, или цикл Кребса1, по фамилии биохимика, описавшего превращения в этом процессе. Субстратом служит ацетил-КоА, который образуется,
например, при декарбоксилировании ПВК (рис. 9.4).
Рис. 9.4. Образование ацетил-КоА
Весь процесс включает 8 реакций, в ходе которых образуются ди- и
трикарбоновые кислоты: лимонная, изолимонная, α-кетоглутаровая, янтарная, фумаровая, оксиянтарная, ЩУК. Они подвергаются распаду с выделением СО2 или окисляются путем снятия атомов водорода, которые принимают на себя дегидрогеназы НАД и ФАД. В результате образуются восстановленные эквиваленты этих коферментов – НАДН+Н+ и ФАДН2.
Цикл регулируется по принципу отрицательной обратной связи аллостерическими ферментами: 1 – цитратсинтаза, 2 – аконитатгидратаза (аконитаза), 3 – НАД-зависимая изо-цитратдегидрогеназа, 4 – НАД-зависимый
α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, 5 – сукцинил-КоА-синтетаза, 6 –
ФАД-зависимая сукцинатдегидрогеназа, 7 – фумаратгидратазы (фумараза),
8 – НАД-зависимая малатдегидрогеназа, как показано на рис 9.5 [9, 13].
Вторая реакция катализируется аконитатгидратазой, потому что в действительности превращение лимонной кислоты в изолимонную идет через
образование цис-аконитовой кислоты в реакции дегидратации-гидратации.
Регуляторами являются сами метаболиты или продукты реакций (табл. 9.3).
Таблица 9.3 – Регулирование цикла Кребса
Активаторы
ПВК, ЩУК, АДФ, НАД+
Ингибиторы
Лимонная, сукцинил-КоА, ацетил-КоА, АТФ, НАДН+Н+
Из рис. 9.5 ясно, что в ходе цикла Кребса образуется: 2СО2,
3НАДН+Н+, ФАДН2 и ГТФ. ГТФ далее расходуется на регенерацию АДФ, в
результате чего образуется одна молекула АТФ. Это не объясняет, почему
процесс получил название «энергетический котел». Ответ на этот вопрос
выясняется при рассмотрении завершающего этапа биологического окисления – дыхательной цепи.
_________
1
– А.Д. Кребс лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1953 года «За открытие цикла лимонной кислоты».
118
Рис. 9.5. Реакции цикла Кребса
119
9.3 Дыхательная цепь и ее ферменты
Атомы Н с восстановленных форм НАДН+Н+ и ФАДН2, образованных
в ЦТК, служат «топливом» для дыхательной цепи (другие названия: электронотранспортная цепь (ЭТЦ), цепь переноса электронов (ЦПЭ).
Дыхательная
цепь
–
это
система
окислительно-восстановительных ферментов, встроенных во внутреннюю мембрану
митохондрии.
Митохондрии человека имеют овальную форму и две мембраны. Поверхность внутренней мембраны больше, чем наружной, поэтому внутренняя мембрана «смята», а наружная – растянута. Мембраны отличаются не
только размером, но и составом. Наружная состоит наполовину из белков и
липидов. Во внутренней мембране преобладают белки, их 75%, а липидов –
лишь 25%. Исследования показали, что большая часть белков внутренней
мембраны – это ферменты, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях и синтезе АТФ.
Если сделать срез митохондрии и рассмотреть его в электронный микроскоп, то на внутренней стороне внутренней мембраны видны многочисленные «горошины» (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Срез митохондрии
На участках от одной «горошины» до другой и находятся «дыхательные цепи».
Ферменты в них расположены в определенной последовательности.
Число «дыхательных цепей», выделенных из клеток разных тканей, неодинаково.
120
Например, одна митохондрия, выделенная из клеток печени, содержит
5000 «дыхательных цепей», а из клеток сердца – 20000.
В первой половине XX века были открыты окислительно-восстановительные ферменты, и стал известен факт, что при окислении субстратов происходит синтез АТФ.
Эти два факта удалось соединить П.Д. Митчеллу1 в «Хемиосмотической теории энергетического сопряжения в митохондриях».
Центральный ее постулат гласит:
- электронопереносящие цепи митохондрий, хлоропластов и бактерий
сопряжены с системой синтеза АТФ через разность электрохимических
потенциалов ионов водорода (ΔμН+) на сопрягающих мембранах;
- химическая энергия, освобождающаяся при переносе электронов, преобразуется в электрохимическую энергию мембранного потенциала;
- электрохимическая энергия мембранного потенциала преобразуется в
химическую энергию связи АТФ
Схематично цепь ферментов, встроенная во внутреннюю мембрану митохондрии показана на рис. 9.7.
Рис. 9.7. Схема работы «дыхательной цепи»
Первой дегидрогеназой является НАД, для которого мембрана митохондрии непроницаема.
_________
1
– П.Д. Митчелл лауреат Нобелевской премия по химии 1978 года «За вклад в понимание
процесса переноса биологической энергии, сделанный благодаря созданию хемиосмотической
теории».
121
Поэтому НАД «снимает» атомы водорода с растворенных в матриксе
субстратов: ПВК, изолимонной, α-кетоглутаровой, оксиянтарной.
При этом НАД+ из окисленной формы переходит в восстановленную
НАДН+Н+. Атомы водорода с НАДН+Н+ поступают на ФМН.
ФМН называют вторичной дегидрогеназой, поскольку она принимает
атомы водорода с атомы водорода не с субстрата, а с кофермента НАД. В
ряде случаев первичной дегидрогеназой является ФАД. Ее субстрат в дыхательной цепи – янтарная кислота.
За флавиновыми дегидрогеназами следуют железосерные белки (Fe/S).
Атомы Fе в них ковалентно связаны с белком через атомы S остатков Цис и
с другими атомами Fе через серные мостики.
Активный центр этих ферментов напоминает ячейку, которая переносит только электроны (рис. 9.8). Одна ячейка может передать лишь один
электрон, поэтому Fe/S соединяются парами.
Рис. 9.8. Строение небелковой части железо-серных белков
Следующая дегидрогеназа – убихинон, иначе кофермент Q (КоQ). В
митохондриях представлен убихиноном Q10, так как его боковая ветвь содержит 10 изопреновых мономеров, что придает высокую гидрофобность
этому коферменту. Присоединяя атомы Н, убихинон переходит в убихинол.
Завершающие дегидрогеназы – цитохромы. Не передают Н+, но принимают и передают электроны, за счет изменения валентности Fе, как показано на рис. 6.19.
Из всех цитохромов только цитохром а3 передает электроны на кислород, поэтому его называют цитохромоксидазой.
Как видно из рис. 9.7 в дыхательной цепи переносчики Н+ и электронов
чередуются с переносчиками только электронов.
Это вызывает перемещение Н+ из матрикса в межмембранное пространство и ведет к возникновению на внутренней мембране митохондрии
химического потенциала ΔрН.
122
Каждая из этих окислительно-восстановительных пар ферментов обладает определенным окислительно-восстановительным потенциалом φ, величина которого возрастает при переходе в направлении от НАД к О2. Таким образом, электроны как бы разгоняются и втягиваются в дыхательную
цепь.
В результате на внутренней мембране митохондрии генерируется электрохимический потенциал:
ΔμН+ = ΔрН + Δφ.
Величина μН+ на трех участках цепи больше 0,2В при переносе электронов:
- с НАД на ФМН;
- с цитохрома в на цитохром с;
- с цитохрома а на цитохромоксидазу а3.
В эти моменты и наблюдается синтез АТФ.
Причем выяснено, что мембрана митохондрий проницаема для Н+
лишь в сторону межмембранного пространства.
Обратное движение Н+ в матрикс осуществляется через протонный канал АТФ-синтазы и служит катализатором синтезе АТФ.
Установлено, что если первичной дегидрогеназой является НАД, то
образуется 3 молекулы АТФ, если первичной дегидрогеназой является
ФАД, то 2 молекулы АТФ.
Теперь можно провести расчет энергетического эффекта и для ЦТК, в
котором образуется 3НАДН+Н+, ФАДН2 и ГТФ.
Три восстановленных НАДН+Н+ дают 9 молекул АТФ.
При передаче атомов Н с ФАДН2 образуется 2 молекулы АТФ и молекула АТФ образуется за счет ГТФ.
Таким образом, при окислении ацетил-КоА в ЦТК синтезируется 12
молекул АТФ.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие процессы включает обменом веществ и энергии?
2. Охаракиеризуйте понятия «анаболизм» и «катаболизм».
3. Какие этапы катаболизма можно выделить?
4. Как формировалась современная теория биологического окисления?
5. Какие превращения происходят в ЦТК?
6. Где локализована «дыхательная цепь»? Перечислите ее ферменты.
7. Чему равен энергетический эффект от окисления аетил-КоА в ЦТК?
123
ГЛАВА 10. УГЛЕВОДЫ И ИХ ОБМЕН
Углеводы – получили свое название, потому что большинство из них
обладает молекулярной формулой Сх(Н2О)у, то есть буквально – это гидраты углерода.
Углеводы часто называют сахарами, так как многие из них сладкие на
вкус.
Углеводы выполняют энергетическую, структурную, защитную, гемостатическую, опорную, обезвреживающую и другие функции.
Углеводы, поступающие с продуктами, обычно подразделяют на три
группы по числу структурных единиц (рис. 10.1).
Рис. 10.1. Классификация углеводов
по числу моносахаридных остатков
Моно- и дисахариды, состоящие из одного или двух углеводных остатков, соответственно, имеют сладкий вкус и растворимы в воде.
Они содержатся в ягодах, фруктах, овощах, соках, меде, молоке и молочных продуктах, кондитерских изделиях.
В молекулах полисахаридов содержатся сотни и тысячи моносахаридных остатков глюкозы.
Крахмал и гликоген состоят из α-глюкозы. Крахмал есть в составе злаковых, хлеба, макарон, картофеля.
Гликоген называют «животным крахмалом», так как он синтезируется
в печени и мышцах животных и человека.
Клетчатка образована β-глюкозой. Клетчаткой богаты овощи и
фрукты.
10.1 Строение и свойства моносахаридов
Моносахариды по своему строению являются полиоксиальдегидами или полиоксикетонами.
По наличию главной функциональной группы их делят на альдозы и
кетозы (рис. 10.2).
124
Рис. 10.2. Пример альдозы и кетозы
а – глюкоза, является альдозой; б – фруктоза, является кетозой
Моносахариды также классифицируют по числу атомов углерода.
Например, фруктоза – это гексоза, а рибоза – пентоза.
При этом атомы С нумеруют с того конца, ближе к которому расположена главная функциональная группа (альдегидная или кетонная), как показано на рис. 10.3.
Рис. 10.3. Примеры пентозы и гексозы
Иногда обе классификации объединяют. Тогда фруктоза – это кетогексоза, а рибоза – альдопентоза.
Моносахариды содержат по нескольку асимметричных углеродных
атомов и обладают оптической активностью (см. с. 17).
Как известно альдегиды и кетоны могут реагировать со спиртами. Благодаря такому взаимодействию моносахариды существуют в двух формах:
карбонильной и циклической. Карбонильную форму иначе называют открытой или ациклической (нециклической).
Циклические формулы Фишера1, представленные на рис. 10.4 достаточно условны.
_______
1
– Э.Г. Фишер лауреат Нобелевской премии по химии 1902 года «За эксперименты по синтезу веществ с сахаридными и пуриновыми группами»; предложил проекционные формулы для
написания соединений, обладающих оптической активностью.
125
Рис. 10.4. Образование циклических формул Фишера
Значительно больше соответствуют действительности и широко используются более 100 лет формулы Хеуорса1.
Для написания циклических формул Хеуорса необходимо следовать
правилам:
1 Если взаимодействие гидроксильной группы с карбонильной дает
O
пятичленный цикл, то получается франозная форма (
– фуран), если
O
образуется шестичленный цикл, то – пиранозная структура (
– пиран).
2 Кислород всегда пишется вверху в фуранозной форме и в правом
верхнем углу – в пиранозной форме.
3 Нумерацию углеродных атомов начинают от кислорода по часовой
стрелке.
4 Все, что в карбонильной форме расположено справа от углеродной
цепочки, пишется под плоскостью кольца; все, что расположено слева –
над плоскостью.
5 Группа CH2OH у предпоследнего углеродного атома расположена
всегда вверху.
Циклическая форма содержит гидроксил, которого нет в карбонильной
форме. Этот гидроксил называют гликозидным или полуацетальным2.
По своим свойствам он отличается от других гидроксилов моносахарида высокой активностью. Именно большая подвижность атома водорода
гликозидного гидроксила обусловливает взаимное превращение оксикарбонильной формы в циклическую. При этом положение гликозидного гидроксила относительно плоскости цикла определяет α- или β-изомерную форму
сахара. На примере глюкозы это выглядит, как показано на рис. 10.5.
_______
1
– У.Н. Хеуорс лауреат Нобелевской премии по химии 1937 года «За исследования углеводов
и витамина С»; разработал классификацию моносахаридов и ввел понятия «пиранозы» и «фуранозы».
2
– В биохимии чаще пользуются термином «гликозидный», поскольку в дальнейшем оперируют понятиями, образованными от него: гликозиды, гликозидазы и др.
126
Рис. 10.5. Образование циклической формы глюкозы
Аналогично образуются циклические формы и других моносахаридов
(табл. 10.1).
Таблица 10.1 – Строение моносахаридов
Карбонильная (открытая
ациклическая форма)
Циклические формы Хеуорса
α-изомер
β-изомер
глюкоза
α-глюкоза
(глюкопираноза)
β-глюкоза
(глюкопираноза)
галактоза
α-галактоза
(галактопираноза)
β-галактоза
(галактопираноза)
рибоза
α-рибоза
(рибофураноза)
β-рибоза
(рибофураноза)
фруктоза
α-фруктоза
(фруктофураноза)
β-фруктоза
(фруктофураноза)
Гликозидный гидроксил, выделенный в табл. 10.1, всегда находится у
первого атома углерода у альдоз и у второго – у кетоз.
127
10.1.1 Образование гликозидов
Большая активность гликозидного гидроксила позволяет ему вступать
в реакции в тех условиях, когда другие гидроксилы сахара не активны. В
результате образуются гликозиды. Они имеют важнейшее значение в живой
природе. Несахарный компонент называется агликон, а связь, которой он
соединяется с углеводным фрагментом – гликозидная. По наличию атома,
входящего в эту связь, различают О-, N-гликозидные связи. Примерами
гликозидов могут служить фосфорные эфиры моносахаридов, нуклеозиды,
уроновые кислоты (рис. 10.6).
Рис. 10.6. Гликозиды:
а – глюкозо-1-фосфат (агликон – остаток фосфорной кислоты); б – уридин (агликон – урацил)
Гликозидами, с точки зрения строения, являются и дисахариды.
10.2 Строение и свойства дисахаридов
Дисахариды образованы двумя моносахаридными остатками.
Связь, соединяющую моносахариды, называют О-гликозидная, или
кислородный мостик. Эта связь может разрушаться путем гидролиза в
присутствии кислот в лаборатории или под действием ферментов в живой
природе. Идентификация моносахаридов, образующихся в результате гидролиза дисахарида, позволяет установить его структуру.
Сахароза – один из продуктов, издавна известный человеку. Ее выделяли на Древнем Востоке из сока сахарного тростника. Отсюда одно из
названий сахарозы – тростниковый сахар. Родиной сахарного тростника
считается Индия. Из Индии это растение было вывезено в Египет и Персию,
откуда через Венецию сахар поступал в европейские страны и считался
роскошью1.
_______
1
– В поисках доступного источника сахара немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф
проводил опыты со свеклой, которые описал в 1747 году. Уже к концу ΧVΙΙΙ века в Германии
вывели свеклу с повышенным содержанием сахара. А в 1796–1802 годах ученик Маргграфа
Франц Карл Ахард разработал способ выделения сахара из свеклы. Вот почему сахарозу
называют еще и свекловичным сахаром.
128
По своему строению сахароза является дисахаридом. Это невосстанавливающий сахар, так как два моносахаридных остатка связаны своими гликозидными гидроксилами – 1,2-кислородный мостик. Гидролиз сахарозы в
присутствии минеральных кислот или ферментов протекает по схеме, как
показано на рис. 10.7.
Рис. 10.7. Схема гидролиза сахарозы
Гидролиз сахарозы приводит к образованию глюкозы и фруктозы в соотношении 1:1. Удельное вращение сахарозы +66°, а гидролизата –20°, то
есть в процессе гидролиза оптическое вращение меняет знак. По этой причине гидролиз сахарозы называют «инверсией», а глюкозо-фруктозную
смесь – «инвертированным сахаром». Пчелиный мед на три четверти состоит из глюкозы и фруктозы, то есть является природным инвертным сахаром. Глюкозо-фруктозную смесь часто используют в пищевой промышленности, так как она слабо кристаллизуется, а значит, сиропы и варенья не засахариваются.
Лактоза, или молочный сахар, – основной углевод молока млекопитающих. Ее содержание составляет 4,4–5,2% и меньше всего подвержено
изменениям в процессе синтеза по сравнению с другими компонентами
молока.
В молоке углеводы находятся в растворенном состоянии. А в чистом
виде это белые кристаллические вещества сладкие на вкус. Кристаллы лактозы имеют острые грани. Иногда мы можем ощутить их как крупинки песка, например, в сгущенном молоке, но это нежелательный порок консистенции.
Лактоза состоит из остатков глюкозы и галактозы, которые соединены
друг с другом 1,4-кислородным мостиком (рис. 10.8). В организме человека
эта связь расщепляется ферментом лактазой, а образующиеся моносахариды используются как энергетический материал. Лактоза обеспечивает почти
1/3 всей энергетической ценности молока. Вот почему основной функцией
лактозы считается энергетическая.
129
Рис. 10.8. Схема гидролиза лактозы
Кислородный мостик лактозы не расщепляется в желудке под действием соляной кислоты. Именно поэтому молочный сахар поступает в кишечник в неизменном виде. Это имеет большое физиологическое значение.
Нерасщепленная лактоза используется молочнокислыми микроорганизмами
и бифидобактериями как источник питания. Таким образом, лактоза нормализует микрофлору кишечника и подавляет в нем гнилостные процессы.
Лактоза – хороший источник питания для многих микроорганизмов.
Они выделяют ферменты, расщепляющие лактозу и образующиеся при этом
моносахариды. Такие превращения протекают в бескислородных условиях
и называются брожение. Специалисты регулируют этим процессом и используют его в производстве многих продуктов: кефира, сметаны, творога,
сыра и др.
Мальтоза образуется при неполном гидролизе крахмала, например,
при участии фермента слюны амилазы. Таким же действием обладают ферменты солода (семена ячменя, измельченные и высушенные после проращивания). Солод по-английски malt – отсюда и название мальтоза.
Мальтоза состоит из двух остатков α-глюкозы, соединенных 1,4гликозидной связью (рис. 10.9).
Рис. 10.9. Схема гидролиза мальтозы
130
В растворах моносахариды существуют преимущественно в циклической форме, которая может переходить в карбонильную. Это касается и дисахаридов, у которых сохранился свободным гликозидный гидроксил.
Если карбонильная форма сахара имеет альдегидную группу, то он обладает редуцирующими свойствами (от лат. reductio – восстановление) и
восстанавливает металлы.
Сами сахара при этом окисляются до соответствующих кислот: моносахариды – до альдоновых, а дисахариды – до бионовых. Например, из глюкозы получается глюконовая кислота, из галактозы – галактоновая, из рибозы – рибоновая, из лактозы – лактобионовая, из мальтозы – мальтобионовая.
Это свойство находит применение для обнаружения сахаров. Часто используется реакция восстановления меди, известная как «проба Троммера»,
которая является качественной на редуцирующие сахара. Она применяется
для их обнаружения в растворах, а также лежит в основе количественного
определения сахаров в крови, моче, молоке и других биологических жидкостях.
10.3 Строение и свойства полисахаридов
Полисахариды – это природные высокомолекулярные вещества,
представляющие собой продукты конденсации большого числа молекул моносахаридов.
Иногда их называют несахароподобными за отсутствие сладкого вкуса.
По виду мономерных звеньев полисахариды подразделяют на гомополисахариды, образованные одинаковыми моносахаридами, и гетерополисахариды, образованные разными моносахаридами.
Важнейшие природные полисахариды – крахмал, гликоген и клетчатка
относятся к гомополисахаридам. Хотя они и принадлежат к одному классу
соединений, физико-химические свойства этих биополимеров существенно
отличаются.
Крахмал – широко распространенный в природе полисахарид. Он образуется в растениях и является конечным продуктом ассимиляции ими углекислого газа под влиянием солнечной энергии. Крахмал накапливается
как резервный материал в запасающих органах растений – зернах злаковых,
в клубнях картофеля и т.п.
По своему составу крахмал неоднороден, он представляет собой смесь
двух полисахаридов: растворимой в воде амилозы и нерастворимого в воде
амилопектина.
Амилоза – линейный полимер, который скручен в спираль,
α-глюкозные остатки в нем связаны 1,4-кислородными мостиками (рис.
10.10). В каждой молекуле амилозы содержится 200–400 остатков глюкозы.
131
Рис. 10.10. Фрагмент молекулы амилозы
Амилопектин подобно амилозе содержит 1,4-α-связанные остатки глюкозы, но, кроме этого, имеются еще поперечные 1,6-кислородные мостики
между некоторыми глюкозными остатками (рис. 10.11). В результате цепи
амилопектина сильно разветвлены и имеют шаровидную форму. Полимер
амилопектина содержит 600–6000 глюкозных остатков.
Рис. 10.11. Фрагмент молекулы амилопектина
Крахмал не растворим в холодной воде, но в горячей он легко набухает, образуя вязкий коллоидный раствор – крахмальный клейстер.
Крахмал способен как к ферментативному, так и к кислотному гидролизу. Расщепление молекул крахмала протекает ступенчато, и при определенных условиях или под влиянием специфических ферментов из него могут быть получены различные по сложности продукты. Например, ферменты солода доводят гидролиз крахмала до мальтозы, а ферменты дрожжей –
до глюкозы.
Известно, что крахмал с йодом дает синее окрашивание. Причиной появления окраски считают образование молекулярных соединений йода с
фрагментами глюкозы в крахмале – С6Н10О5·I2.
При частичном гидролизе сначала получается растворимый крахмал,
уже не образующий клейстера, но еще дающий синее окрашивание с йодом.
132
При более глубоком гидролизе крахмал превращается в декстрины.
Они представляют собой полисахариды со значительно более короткими
цепями, чем у полисахаридов крахмала. В зависимости от длины цепи декстрины подразделяются на амилодекстрины, эритродекстрины, ахродекстрины, мальтодекстрины.
Предпоследней ступенью гидролиза крахмала является дисахарид
мальтоза, которая затем расщепляется до α-глюкозы.
Гликоген. В тканях человека и животных есть полисахарид гликоген
(животный крахмал). Больше всего гликогена содержится в печени (до 5%) и
мышцах (не более 2%). В других органах и тканях гликоген присутствует в
значительно меньших количествах.
Молекулы гликогена построены также как амилопектин, только в гликогене 1,6-мостики встречаются гораздо чаще. В результате сильного ветвления
гликоген имеет множество нередуцирующих окончаний и значительно большее, чем в крахмале содержание остатков глюкозы. Таким образом, природой
найдено выгодное решение создания углеводного запаса в животных организмах.
Клетчатка – основной компонент стенок растительных клеток. Она
содержится в древесине, оболочках некоторых плодов (например, семян
подсолнечника). Хлопковая вата, тополиный пух или фильтровальная бумага могут служить образцами практически чистой клетчатки.
Макромолекулы клетчатки, или целлюлозы (от лат. cellula – «клетка»),
состоят из 2000–3000 остатков β-глюкозы и имеют линейной строение
(рис. 10.12).
Рис. 10.12. Фрагмент молекулы клетчатки
Из таких длинных цепей образуются пучки. Макромолекулы клетчатки
в них удерживаются друг около друга благодаря множественным межмолекулярным водородным связям между гидроксильными группами.
133
Пучки сплетены в микроволокна, видимые глазом.
Еще большие отличия между крахмалом и клетчаткой в их свойствах.
Крахмал не растворим в холодной воде, но в горячей воде образует
коллоидный раствор – крахмальный клейстер. Крахмал легко гидролизуется
при нагревании с разбавленными минеральными кислотами.
Клетчатка – химически инертное вещество. Она не растворима в воде,
спирте, эфире, ацетоне и других растворителях.
Клетчатка труднее, чем крахмал подвергается гидролизу, который протекает в присутствии кислот лишь при длительном кипячении, иногда под
давлением. Промежуточными продуктами ее гидролиза являются амилоид и
целлобиоза.
Хондроитин-4-сульфат и гиалуроновой кислота (рис. 10.13).
Мономерные звенья гиалуроновой кислоты образованы остатками
глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Гиалуроновая кислота
входит в состав соединительной ткани.
Хондроитин-4-сульфат (бывает и хондроитин-6-сульфат), образованный остатками глюкуроновой кислоты и N-ацетилгалактозамина, является
компонентом хрящевой ткани.
Рис. 10.13. Примеры гетерополисахаридов
10.4 Переваривание и всасывание углеводов
Углеводы усваиваются в виде моносахаридов. Именно поэтому моно- и
дисахариды относят к легко усваиваемым компонентам пищи.
В молекулах полисахаридов требуется гидролизовать сотни и тысячи
гликозидных связей, что происходит не одномоментно и обеспечивает организм постепенно поступающими углеводами без большой нагрузки для
работы внутренних органов.
В организме человека есть ферменты, расщепляющие α-гликозидные
связи крахмала и дисахаридов.
В целом переваривание углеводов происходит в последовательности,
указанной в табл. 10.2.
134
Таблица 10.2 – Переваривание и всасывание углеводов
Отдел
желудочнокишечного
канала
Ротовая
полость
Желудок
Тонкий
кишечник
Условия
Превращения
pH = 6,8 – 7,0
амилаза активна
рН = 1,5 – 2,5
амилаза неактивна
- HCl+NaHCO3 → NaCl+H2CO3
- рН = 7,0 – 8,7
- активные: амилаза, мальтаза, лактаза,
инвертаза панкреатического сока и мальтаза, лактаза, инвертаза кишечного сока
Гидролиз крахмала до декстринов и мальтозы
Углеводы изменениям не подвергаются
Гидролиз декстринов и дисахаридов до моносахаридов:
глюкозы, галактозы, фруктозы
В пищеварительном канале человека нет ферментов, расщепляющих βгликозидные связи клетчатки, поэтому она относится к непереваримым компонентам пищи (непереваримые волокна). Несмотря на это клетчатка входит в
число важных нутриентов, поступление которых физиологически обосновано
и регламентруется Министерством здравоохранения РФ. Являясь биополимером, клетчатка раздражает стенки пищеварительного канала, и тем самым повышает секрецию пищеварительных соков, усиливает перистальтику, адсорбирует шлаки, выводит токсины, нормализует кишечную микрофлору.
Образующиеся при гидролизе крахмала и дисахаридов углеводы всасываются через кишечную стенку и поступают в кровь. Всасывание моносахаридов происходит не простой диффузией, а путем активного симпорта или сопряженного транспорта при одновременном переносе в том же
направлении ионов Na+. Разные моносахариды отличаются скоростью всасывания (табл. 10.3).
Таблица 10.3 – Всасывание моносахаридов
Особенность
Транспорт через стенку
кишечника
Изомеризация
Разная скорость
всасывания
моносахаридов, %
Сущность
Происходит с помощью белков-переносчиков, активируется
ионами Nа+
В процессе всасывания все моносахариды изомеризуются до
глюкозы
Галактоза – 110
Глюкоза – 100
Фруктоза – 42
Пентозы – 19
Таким образом, в кровь поступает только глюкоза и с током крови направляется, прежде всего, в печень, а затем к остальным органам и тканям.
Пути использования глюкозы в организме:
- поддержание постоянного уровня глюкозы в крови;
- окисление глюкозы (дихотомический и апотомический пути);
- синтез гликогена;
- синтез жира.
135
10.5 Поддержание постоянного уровня глюкозы в крови
Поддержание постоянного уровня глюкозы в крови происходит при
участии центральной нервной системы и ряда эндокринных желез. У человека содержание сахара в крови находится в пределах 3,33–5,55 ммоль/л.
При минимальном значении рефлекторно возбуждаются метаболические центры гипоталамуса, и сигнал через гипофиз поступает на поджелудочную железу и надпочечник. Эти железы вырабатывают, соответственно,
глюкагон и адреналин. Оба гормона способствуют расщеплению гликогена
до глюкозы, которая поступает в кровь и уровень сахара повышается.
Гликоген расщепляется с нередуцирующего конца под действием фосфорилазы (рис. 10.14). Поскольку это очень сильно разветвленный полисахарид, имеющий много неразветвленных окончаний, то и глюкозы выделяется большое количество.
Рис. 10.14. Фосфоролиз гликогена
При максимальном значении сахара в крови по такой же схеме (через
метаболические центры гипоталамуса) поджелудочная железа начинает
секрецию инсулина. Клетки всех органов и тканей1 имеют рецепторы, чувствительные к инсулину. При взаимодействии этих рецепторов и инсулина
в мембране образуются каналы для транспорта глюкозы внутрь клетки, в
результате концентрация глюкозы в крови уменьшается. В клетках из поступающей глюкозы синтезируется гликоген (см. раздел 10.7).
Таким образом, синтез и распад гликогена – процессы, регулирующие,
как содержание глюкозы в крови, так и резерв углеводов в клетках.
________
1
– Клетки мозга не имеют инсулиновых рецепторов, то есть являются инсулиннезависимыми; глюкоза в них поступает путем простой диффузии.
136
10.6 Окисление глюкозы
Вовлечение глюкозы в обмен веществ начинается только после активации, как показано на рис. 6.22 или упрощенно, как на рис. 10.15.
Глюкоза может активироваться двумя ферментами – глюкокиназой и
гексокиназой. Они отличаются локализацией и кинетическими
характеристиками, но образуют одинаковое производное – глюкозо-6фосфат.
Гексокиназа имеет большее сродство к глюкозе и активирует ее в
мышцах и других органах при концентрации в кровотоке 1 ммоль/л.
Глюкокиназа активна в клетках печени при концентрации глюкозы 10
ммоль/л.
Это объясняет почему в период пищеварения глюкоза задерживается
главным образом в печени.
Рис. 10.15. Схема активации глюкозы глюкокиназой и гексокиназой:
структура кофермента не показана, а использовано условное обозначение
АТФ/АДФ; остатки фосфорной кислоты не детализированы
Существует два основных пути окисления глюкозы: дихотомический и
апотомический.
10.6.1 Дихотомический путь окисления глюкозы
В дихотомическом1 пути глюкоза распадается на два трехуглеродных
фрагмента. В апотомическом варианте гексоза укорачивается на один атом
углерода.
Дихотомический путь иначе называют гликолиз или по фамилиям
ученых, раскрывших превращения в этом процессе – путь ЭмбденаМейергофа-Парнаса.
Процесс протекает в цитозоле клеток всех органов и тканей. Все
метаболиты находятся в фосфорилированной форме.
_______
1
– Дихотомия (греч. dichotomía, от dícha – на две части и tome – разрез, сечение) –
раздвоенность, последовательное деление на две части, не связанные между собой.
137
В зависимости от образующихся конечных продуктов в дихотомическом пути окисления глюкозы выделяют два варианта: аэробный и
анаэробный.
Это различие проявляется только в последней реакции.
Первые стадии аэробного и анаэробного гликолиза одинаковы.
При этом гликолиз условно делят на три этапа, как показано на
рис. 10.16.
Рис. 10.16. Этапы гликолиза:
1 – превращения гексоз; 2 – превращения триоз; 3 – превращения кислот
Схемы химических превращений гликолиза представлены на рис.
10.17, 10.18 и 10.19.
138
Рис. 10.17. Первый этап гликолиза
Дальнейшим
превращениям
подвергается
только
3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА), а диоксиацетонфосфат изомеризуется в 3ФГА по мере его использования.
Рис. 10.18. Второй этап гликолиза
В аэробных условиях ПВК сразу поступает в цикл Кребса, а не
восстанавливается до молочной. В ЦТК происходит полный распал ацетильных остатков (ацетил-КоА) до конечных продуктов Н2О и СО2 с максимальным выходом энергии – 12 молекул АТФ.
Анаэробный гликолиз иногда называют лактатным путем окисления
глюкозы, в связи с тем, что конечным продуктом является молочная кисло139
та (лактат). Реакция обратима и катализируется НАД-зависимой лактатдегидрогеназой.
Рис. 10.19. Третий этап гликолиза
С энергетической точки зрения гликолиз маловыгодный процесс, так
как полного расщепления связей здесь не происходит. Однако это единственно возможный способ обеспечения клеток энергией в бескислородных
условиях. В этом заключается биологическая ценность гликолиза. Анаэробные процессы протекают:
- при экстренно возникающей функциональной нагрузке на отдельный
орган или организм в целом (бег на короткие дистанции, ускорения на финише и т.д.);
- при гипоксических состояниях (тромбоз артерий);
- в зрелых эритроцитах, которые не имеют митохондрий и извлекают
энергию за счет гликолиза.
10.6.2 Брожение углеводов
У микроорганизмов и растений протекают весьма сходные процессы
расщепления углеводов, которые обычно называют брожением.
Брожение – анаэробный процесс ферментативного расщепления
углеводов, протекающий под действием микроорганизмов или выделенных из них ферментов
Служит источником энергии для жизнедеятельности микроорганизмов,
играет большую роль в круговороте веществ в природе, а также используется в пищевых и других технологиях.
Распад глюкозы при брожении и гликолизе протекает одинаково до образования ПВК. Различие начинается с дальнейшего преобразования ПВК.
В зависимости от вида микроорганизмов и конечных продуктов различают
несколько видов брожения (рис. 10.20).
Молочнокислое брожение используется в пищевой промышленности
для получения различных молочнокислых продуктов, сыров, сквашивании
фруктов и овощей, а также в животноводстве при силосовании кормов.
Уксуснокислое, пропионовокислое, маслянокислое брожение протекают при созревании сыров.
140
Описанные примеры молочнокислого, уксуснокислого, пропионовокислого, маслянокислого брожения протекают в производстве кисломолочных продуктов. Выраженный кислый вкус им придают, например, молочная и уксусная кислоты. Молочнокислое брожение используется при
сквашивании фруктов и овощей, а также в животноводстве для силосовании кормов.
Спиртовое брожение используется в промышленности с целью получения этилового спирта. Спиртовому брожению подвергаются только гексозы, в отличие от других моносахаридов, например пентоз. Этим пользуются для отличия гексоз от пентоз.
Рис. 10.20. Различные виды брожения
Как видно из рис. 10.20, в результате некоторых видов брожения образуются газообразные продукты, которые участвуют в формировании рисунка сыра (глазков).
Энергетический эффект от брожения, как и от анаэробного гликолиза
незначительный, так как большая часть энергии остается спрятанной в химических связях.
141
10.6.3 Апотомический путь окисления глюкозы
Этот вариант окисления глюкозы иначе называют пентозо-фосфатный цикл (ПФЦ), ответвление гликолиза или гексозомонофосфатный шунт.
Все реакции протекают в цитозоле клеток. Процесс наиболее активен в
печени, жировой ткани, коре надпочечников, эритроцитах, лактирующей
молочной железе.
В ПФЦ выделяют две ветви – окислительную и неокислительную,
протекающие в разных условиях и с разным результатом.
Окислительная ветвь
Окисление заключается в отнятии 2Н:
- от 1-го атома С в глюкозо-6-фосфате и превращении его в 6-фосфоглюколактон;
- от 3-го атома С в молекуле 6-ФГК.
Деструкция углеродного скелета происходит путем декарбоксилирования 3-кето-6-ФГК. В результате углеродная цепочка укорачивается на один
атом С, и гексоза превращается в пентозу, как показано на рис. 10.21.
Рис. 10.21. Превращения в окислительной ветви ПФЦ
Акцептором водорода служит НАДФ, поэтому в результате образуются
восстановленные формы НАДФН – в этом основное значение данной фазы.
Суммарное уравнение:
6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + 6 Н2О →
→ 6 рибулозо-5-фосфат + 12 НАДФН + 6 СО2
142
Биологическая роль окислительной ветви – синтез восстановленных
форм НАДФН.
Неокислительная ветвь
Рибулозо-5-фосфат, образующийся в окислительной ветви, является
одним из ключевых метаболитов углеводного обмена. В неокислительной
ветви 6 молекул рибулозо-5-фосфата (пентоза) превращаются в 5 молекул
глюкозо-6-фосфата (гексоза). При этом общее число атомов С не меняется и
равно 30. Происходит только перенос отдельных групп атомов при участии
ферментов эпимераз, изомераз, транскетолаз и трансальдолаз. Все реакции
этой ветви обратимы, а промежуточными продуктами являются фруктозо-6фосфат и 3-ФГА – метаболиты гликолиза. Это значит, что оба процесса тесно связаны и в зависимости от потребностей клетки возможно переключение с одного пути на другой. Суммарное уравнение неокислительной ветви:
6 рибулозо-5-фосфат → 5 глюкозо-6-фосфат
Из этого уравнения становится ясна биологическая роль неокислительной ветви – синтез пентоз.
Биологическая роль ПФЦ в целом заключается:
- в образовании восстановленных форм НАДФН, который используется в синтезе ВЖК, холестерина, стероидных гормонов, желчных кислот, витамина D и пр.;
- в образовании пентозы – рибозо-5-фосфата, необходимой для синтеза
нуклеотидов, нуклеотидных коферментов, нуклеиновых кислот.
Подводя итог, следует подчеркнуть, что пути распада углеводов зависят как от вида организма, так и от условий.
Например, объем гликолиза зависит от поступления кислорода, который подавляет образование молочной кислоты (Пастеровский эффект1).
Даже в разных тканях и органах одного организма соотношение путей распада углеводов различно.
Но есть и общие закономерности:
- у большинства организмов аэробный путь преобладает над анаэробным; ЦТК подавляет гликолиз и брожение;
- дихотомический путь занимает большее место, чем апотомический.
10.7 Биосинтез олиго- и полисахаридов
Молекулы полисахаридов содержат по нескольку десятков и сотен тысяч моносахаридных остатков. Такая концентрация глюкозы в клетке привела бы резкому увеличению осмотического давления, поскольку глюкоза
_______
1
– Л. Пастер наблюдал снижение скорости и полное прекращение спиртового брожения под
влиянием кислорода. Такая же закономерность есть в животных и растительных тканях. В присутствии кислорода клетка переключается на более экономный путь получения энергии: при дыхании из того же количества субстрата извлекается примерно в 20 раз больше энергии, чем при
брожении или гликолизе. В результате скорость потребления субстрата, например, глюкозы, в
присутствии O2 снижается.
143
хорошо растворимое вещество. Гликоген и крахмал находятся в виде малорастворимых гранул, не влияющих на увеличение Росм.
Поэтому биосинтез полисахаридов – возможность создать углеводный
запас с сохранением постоянства внутренней среды в клетке.
Весь процесс можно представить в виде двух этапов – активации глюкозы и полимеризации цепочки, каждый из которых включает определенные
превращения (табл. 10.4).
Таблица 10.4 - Этапы биосинтеза полисахаридов
Этап
Активация глюкозы
Полимеризация (удлинение) цепочки
Превращения
Глюкозо-6-фосфат →
→ Глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-1-глюкоза
УДФ-1-глюкоза + Гликоген (n остатков глюкозы) →
→ Гликоген (n+1 остатков глюкозы)
Активация глюкозы при биосинтезе олиго- и полисахаридов существенно отличается от активации глюкозы в катаболических процессах.
При биосинтезе олиго- и полисахаридов источником моносахаридных
остатков служат нуклеозиддифосфатсахара (НДФ-сахара)1, которые образуются из фосфорных эфиров моносахаридов [13].
Сначала происходит изомерное превращение (рис. 10.22).
Рис. 10.22. Изомеризация глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат
при участии фосфоглюкомутазы
_________
1
– Во-первых, это энергетически более выгодно, так как изменение уровня свободной энергии при гидролизе НДФ-сахаров значительно выше, чем при гидролизе простых фосфорных
эфиров моносахаридов; во-вторых, нуклеотидная часть НДФ-сахаров обеспечивает избирательность ферментов
144
Далее расходуется еще один макроэрг (УТФ) и образуется уридилдифосфо-1-глюкоза (УДФ-1-глюкоза).
Реакция катализируется гликозилтрансферазой (рис. 10.23).
Рис. 10.23. Образование уридилдифосфо-1-глюкозы
Полимеризация (удлинение) цепочки заключается в переносе
остатка глюкозы из УДФ-1-глюкозы на «затравочное» количество гликогена.
Реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой, которая активна, если растущая цепь гликогена содержит не менее 4-х остатков
глюкозы [1, 4].
В результате возникает новая 1,4-О-гликозидная связь.
145
Рис. 10.24. Полимеризация цепочки
Установлено, что связи 1,6- образуются гликогенветвящим ферментом.
Благодаря ветвлению создается большое количество невосстанавливающих концевых остатков, на которых начинается распад и синтез гликогена.
Вопросы для самоконтроля
1. Биологические свойства углеводов.
2. Классификация углеводов по числу моносахаридных остатков.
3. Моносахариды, их формы и химические свойства. Производные моносахаридов.
4. Сложные углеводы. Дисахариды и полисахариды, их свойства.
5. Переваривание и всасывание углеводов в желудочно-кишечномканале. Роль клетчатки. Пути использования глюкозы.
6. Каким образом поддерживается постоянный уровень глюкозы в крови?
7. Перечислите основные виды окисления глюкозы в тканях.
8. Какие этапы включает гликолиз? Энергетическая ценность и биологическая роль
гликолиза. В чем сходство между гликолизом и брожением?
9. Каково значение пентозофосфатного пути окисления углеводов?
10. В чем значение и сущность биосинтеза олиго- и полисахаридов?
146
ГЛАВА 11. ЛИПИДЫ И ИХ ОБМЕН
11.1 Классификация и структурные компоненты липидов
Жиры или липиды (от греч. lipos – жир) – многочисленная группа
органических веществ, имеющих сложноэфирную связь. Отличаются растворимостью в органических растворителях и нерастворимостью в воде.
Выполняют структурную, регуляторную, защитную, транспортную,
энергетическую и другие функции. При окислении 1 г жира выделяется
9 ккал.
Весь многочисленный класс липидов можно разделить следующим образом (рис. 11.1).
Рис. 11.1. Классификация липидов
Липиды, которые подвергаются омылению, традиционно подразделяют
на простые и сложные (табл. 11.1). Простые липиды состоят из двух компонентов, сложные – из трех и более.
Таблица 11.1 – Химический состав омыляющихся липидов
Вид липидов
Жиры и масла
Воски
Фосфолипиды
Стероиды
Компоненты
Простые
Глицерин и жирные кислоты
Высшие высокомолекулярные спирты и жирные кислоты
Сложные
Глицерин, жирные кислоты, азотсодержащие соединения, фосфорная кислота
Стерины и жирные кислоты
Как видно из табл. 11.1, в составе всех омыляемых липидов есть жирные кислоты. Это монокарбоновые кислоты с неразветвленной цепью, содержащие четное число атомов углерода, от 4 до 24. Практически во всех
жирах присутствуют кислоты с 16 и 18 атомами углерода в цепи.
В зависимости от наличия двойных связей жирные кислоты делят на
насыщенные и ненасыщенные (табл. 11.2).
147
Таблица 11.2 – Наиболее распространенные карбоновые кислоты липидов
Название и сокращенная формула
Пальмитиновая
С15H31 – COOH
Стеариновая
С17H35 – COOH
Олеиновая
С17H33 – COOH
Условное
Структурная формула
обозначение
Предельные (насыщенные)
С16:0
С18:0
Непредельные (ненасыщенные)
С18:1
Линолевая
С17H31 – COOH
С18:2
Линоленовая
С17H29 – COOH
Арахидоновая
С19H29 – COOH
С18:3
С20:4
11.2 Простые липиды
Важнейшие представители простых липидов – жиры и масла.
Жиры и масла являются производными трехатомного спирта
глицерина и высших жирных кислот.
Жирами обычно называют липиды животного происхождения, а маслами – липиды растительного происхождения. Их молекулы могут быть
представлены триглицеридами (триацилглицеридами, сокращенно ТАГ),
диглицеридами (диацилглицеридами – ДАГ) или моноглицеридами (моноацилглицеридами – МАГ), как показано на рис. 11.2.
Рис. 11.2. Примеры простых липидов
Поскольку на долю глицерина в массе триглицеридов приходится лишь
около 10%, все разнообразие жиров и масел обусловлено набором входящих в их состав жирных кислот (табл. 11.3).
148
Таблица 11.3 – Жирнокислотный состав некоторых природных жиров и масел
ниже С14
мириотиновая
пальмитиновая
стеариновая
олеиновая
линолевая
линоленовая
Содержание карбоновых кислот, %
Молочный жир
13
10
25
12
35
5
0
Свиной жир
0
1
28
10
58
3
0
Говяжий жир
0,2
3
30
26
0
40
0
Льняное масло
0
0
5
3
5
62
25
Оливковое масло
0
0
10
2
84
4
0
Кукурузное масло
Соевое масло
0
0
2
0,3
10
9
3
4
34
0
51
30
0
55
Жир или масло
Набор жирных кислот влияет не только на физико-химические показатели (консистенцию, температуру плавления и др.), но и на биологическую
ценность жиров и масел.
Насыщенные кислоты, начиная с С10, – твердые при комнатной температуре и преобладают в жирах животного происхождения. Ненасыщенные
кислоты до С20 являются маслянистыми жидкостями и преобладают в растительных маслах.
Наиболее выраженными биологическими свойствами обладают ненасыщенные высшие жирные кислоты. В них выделяют моно- и полиненасыщенные.
К мононенасыщенным жирным (МНЖК) кислотам относятся миристолеиновая и пальмитолеиновая кислоты (жиры рыб и морских млекопитающих), олеиновая (оливковое, кунжутное, рапсовое масла). Физиологическая
потребность в мононенасыщенных жирных кислотах для взрослых составляет 10% от калорийности суточного рациона.
Наибольшую ценность с точки зрения питания представляют ПНЖК.
Их относят к эссенциальным компонентам пищи, которые не синтезируются в организме человека и обязательно должны поступать с продуктами.
ПНЖК являются структурными элементами клеточных мембран, обеспечивают нормальное развитие и адаптацию организма человека к неблагоприятным факторам окружающей среды. Больше всего полиненасыщенных
высших жирных кислот содержится в печени, мозге, сердце, половых железах. Само распределение этих кислот свидетельствует об их важной роли в
жизнедеятельности организма человека.
Практически во всех растительных маслах и орехах присутствует линолевая кислота. Арахидоновая кислота в продуктах питания содержится в
незначительном количестве, а в растительных маслах ее практически нет.
149
Больше всего арахидоновой кислоты в яйцах – 0,5%, субпродуктах –
0,2–0,5%. Основным пищевым источником ω-3-кислот являются жирные
сорта рыб и некоторые морепродукты, а также масла: льняное, соевое, из
семян крестоцветных. В табл. 11.4 приведены примеры доступных растительных масел с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот.
Таблица 11.4 – Жиры и масла с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот, % по массе
Жирные кислоты
Насыщенные
Ненасыщенные
Подсолнечное
9,2
85,6
Виды масла
Оливковое
Кунжутное
12,0
12,7
88,0
83,5
Кукурузное
15,0
85,0
Физиологическая потребность в ПНЖК – для взрослых 6–10% от калорийности суточного рациона. Оптимальное соотношение в суточном рационе ω-6 к ω-3 жирных кислот должно составлять (5–10):1.
11.2.1 Особенности молочного жира
Молочный жир по целому ряду параметров существенно отличается от
растительных масел и других жиров животного происхождения (табл. 11.5).
Важнейшим свойством молочного жира является его приятный вкус,
каким не обладает ни один из жиров. По этой причине молочный жир в виде сливочного масла и взбитых сливок занимает прочное место на рынке
сбыта, несмотря на то, что растительные жиры стоят гораздо дешевле.
Содержание липидов в молоке колеблется от 2,8 до 5,0% и представлено как омыляемыми, так и неомыляемыми видами. Основная часть приходится на триглицериды.
Таблица 11.5 –Отличия молочного жира от других жиров животного и растительного происхождения
Параметр
Набор
кислот
Характеристика
жирных Отличается большим разнообразием:
- есть насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты;
- незаменимые полиненасыщенные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая), повышающие биологическую ценность;
- есть кислоты с короткой, средней и длинной цепью (20%), легче
усваиваются организмом, поскольку легко всасываются и быстро
вовлекаются в обмен веществ
Сопутствующие Фосфолипиды (холин, лецитин и др.) являются одним из компоненкомпоненты:
тов нервной ткани, вещества мозга и центральной нервной системы
фосфолипиды,
в целом; содержат фосфор, необходимый для регулирования обместерины и вита- на веществ и питания нервной системы.
мины.
В составе стеринов есть холестерин, из которого образуется витамин D, кортикостероиды, половые гормоны др.
Жирорастворимые витамины: А, β-каротин, D, Е
150
Окончание таблицы 11.5
Параметр
Характеристика
ФизикоЛипиды в молоке и молочных продуктах находятся в виде жировых
химическое со- шариков диаметром 3–6 мкм. По составу – это липопротеины
стояние – эмуль- (ЛП)1. Липидный компонент покрыт оболочкой из фосфолипидов и
сия
гидратированных белков. Белковая часть ЛП – серосодержащие
аминокислоты (Мет и Цис).
Это исключительная особенность только молочного жира. Благодаря такой форме жир молока легко расщепляется ферментами и
быстро усваивается
Температура
Низкомолекулярные кислоты снижают температуру плавления моплавления
лочного жира, и при температуре тела человека он находится в
28–33°С
жидком состоянии, поэтому легче эмульгируется и усваивается.
Другие жиры животного происхождения плавятся при более высоких температурах, что затрудняет их процесс переваривания
11.3 Стероиды
Сложные эфиры полициклических спиртов стеролов (стеринов) и
высших жирных кислот.
Основной стерол животных и человека – холестерин (холестерол).
В свободном виде (до 90%) входит в состав неомыляемой фракции липидов, а в форме сложных эфиров с жирными кислотами (около 10 %) – в
состав омыляемой фракции.
Рис. 11.3. Структура холестерина
Холестерин служит субстратом для синтеза многих биологически активных соединений – половых гормонов и гормонов коры надпочечников,
желчных кислот и витамина D.
Источником холестерина служат продукты животного происхождения:
жиры, яйца, икра, мозги, печень, почки. Количество холестерина в суточном рационе взрослых и детей не должно превышать 300 мг.
_______
1
– Состоят из двух компонентов – гидрофильного и гидрофобного, способных перемещаться относительно друг друга, так как соединены слабыми связями неомыляемой фракции
липидов, а в форме сложных эфиров с жирными кислотами (около 10%) – в состав омыляемой фракции.
151
11.4 Сложные липиды
В группу сложных липидов входят фосфолипиды, гликолипиды,
диолиные липиды и орнитолипиды.
Фосфолипиды помимо глицерина и высших жирных кислот содержат
остатки фосфорной кислоты и азотсодержащего соединения.
Важнейшие фосфолипиды (рис. 11.4) – это лецитин (фосфатидилхолин), кефалин (фосфатидилэтаноламин) и серинфосфатиды (фосфатидилсерин). Лецитины получили свое название от греч. лецитос – желток,
так как впервые были выделены из желтка яйца. В их состав входит аминоспирт холин, поэтому полное название – фосфатидилхолин. Кефалины (от
греч. голова) содержат аминоспирт этаноламин. В состав серинфосфатидов
входит аминокислота серин.
Рис. 11.4. Важнейшие фосфолипиды
Как видно из рис. 11.4 наличие фосфорных остатков и азотсодержащих
соединений придает этим биомолекулам свойства ПАВ. Полярные группировки обусловливают гидрофильные свойства, а длинные жирнокислотные
остатки – гидрофобные свойства. Условно фосфолипиды принято обозначать в виде упрощенной структуры с полярной «головой» и неполярными
«хвостами», как показано на рис. 11.5. Такие молекулы ориентируются своими неполярными частями друг к другу и формируют двойной липидный
слой биологических мембран.
152
Рис. 11.5. Схематичное изображение:
а – фосфолипида; б – двойного липидного слоя мембраны
Фосфолипиды в составе клеточных мембран, оболочек нервных волокон, участвуют в регуляции обмена холестерина и способствуют его выведению. Фосфолипидами богаты продукты животного происхождения (печень, мозги, желтки яиц, пахта, сливки), нерафинированное растительное
масло, бобовые. Оптимальное содержание фосфолипидов в рационе взрослого человека 5–7 г/сутки.
Гликолипиды образованы двухатомным спиртом сфингозином, остатками высших жирных кислот (лингоцериновая, нервоновая, цереброновая)
и углеводным компонентом (чаще всего галактоза и ее производные). Обнаружены в мозге, являются составной часть нервной ткани, например, цереброн (рис. 11.6).
Рис. 11.6. Представитель гликолипидов – цереброн
(от лат. cerebrum – мозг)
Диольные липиды сопутствуют липидной ткани растений, животных
и микроорганизмов. Обязательно содержат остатки высших жирных кислот.
Могут содержать остатки Н3РО4, азотсодержащего соединения, углевод.
Эти компоненты соединяются сложноэфирными (углеводы – простыми
эфирными) связями с двухатомными спиртами: этандиолом, пропандиолом,
153
бутандиолом или пентандиолом. На рис. 11.7 радикалы спиртов обозначены
R, а радикалы кислот – R/.
Рис. 11.7. Примеры диольных липидов
Орнитолипиды характерны для микроорганизмов и грибов. Необходимыми компонентами являются остатки высших жирных β-оксикислот и
аминокислота Орн или Лиз (рис. 11.8), но также могут присутствовать
двухатомные спирты: этандиол и 1,3-пропандиол. В бактериальной клетке
эти липиды могут выполнять функции фосфатидилэтаноламина, являющегося элементом клеточной мембраны. Такая замена наблюдается при дефиците фосфатов.
Рис. 11.8. Структуры орнитолипидов:
а – орнитолипид; б – лизинолипид
11.5 Физико-химические свойства жиров и масел
Для характеристики жиров и масел используют несколько физикохимических констант (табл. 11.6). Они имеют большое значение в производстве различных пищевых продуктов.
Таблица 11.6 – Основные физико-химические константы жиров
Показатель
Что характеризует
Единица
измерения
Температура
плавления
Температура
отвердевания
Кислотное
число
Переход жира в жидкое состояние, когда он
становится абсолютно прозрачным
°С
Приобретение жиром твердой консистенции
°С
Йодное число
Степень ненасыщенности кислот жира
Число
ния
154
Степень порчи жира
омыле- Средневзвешенную молекулярную массу кислот
жира
мгКОН
1гжира
J2
100гжира
мгКОН
1гжира
Температура плавления жиров зависит от соотношения предельных и
непредельных жирных кислот, входящих в состав триглицеридов. Как правило, жиры, в которых преобладают предельные кислоты (пальмитиновая,
стеариновая), имеют более высокие температуры плавления, чем жиры, в
которых больше непредельных кислот (олеиновая, линолевая, линоленовая).
На температуру плавления влияет строение непредельных кислот.
Например, цис-форма олеиновой кислоты – это маслянистая жидкость, которая плавится при14°С, а ее транс-изомер – элаидиновая кислота является
твердым веществом с температурой плавления 52°С.
Все природные ненасыщенные жирные кислоты имеют цис-конфигурацию. Транс-изомеры высших жирных кислот образуются при обработке растительных масел токами высокой частоты. Такую технологическую операцию называют отверждение, поскольку в результате жидкие растительные масла приобретают твердую консистенцию. С химической точки зрения отверждение – это гидрогенизация или гидрирование
(от лат. hydrogenium – водород), так как в процессе происходит присоединение атомов водорода по месту двойных связей. Полученные таким способом жиры называют гидрированными, гидрогенизированными или восстановленными.
Опасность употребления с пищей транс-изомеров высших жирных
кислот состоит в том, что они, встраиваясь в мембраны клеток организма
человека, изменяют конформацию мембранно-связанных ферментов и белков-рецепторов для гормонов. Это ведет к нарушению регуляции метаболизма в таких клетках, а затем в определенном органе, ткани, что заканчивается развитием патологического процесса.
Число омыления характеризует среднюю молекулярную массу всех
жирных кислот в жире. Между числом омыления и температурой плавления
жира существует обратная зависимость. Чем выше молекулярный вес жирных кислот, тем выше и температура их плавления, а соответственно и температура плавления жиров, в состав которых входят эти кислоты.
Длина цепи определяет многие свойства, как самих жирных кислот, так
и жиров, образуемых этими кислотами. Длинноцепочечные жирные кислоты имеют твердую консистенцию, короткоцепочечные являются жидкими
веществами.
Наибольшим числом омыления (212÷247) отличается молочный жир, в
состав которого входят низшие жирные кислоты. Для других жиров характерны следующие величины числа омыления: говяжий жир – 190÷200, бараний – 192÷198, свиной – 193÷200, льняное масло – 187÷195.
Йодное число характеризует степень ненасыщенности кислот в жире.
Чем больше в жире ненасыщенных кислот, тем выше йодное число. Для
растительных масел оно выше, чем для животных.
155
Йодное число некоторых жиров и масел колеблется в следующих пределах: говяжий – 27÷47, бараний – 31÷46, свиной – 46÷66, подсолнечное
масло – 129÷136, льняное масло – 175÷201.
Йодное число важнейший показатель в производстве сливочного
масла, поскольку от соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот во многом зависит структура, консистенция и его качество.
Эту константу молочного жира необходимо учитывать при подготовке
сливок и непосредственно в процессе их сбивания или преобразования
в масло.
Кислотное число характеризует степень свежести жира. Это один из
важнейших показателей при оценке качества жиров и масел. В свежих продуктах липиды присутствуют в форме триглицеридов. По мере хранения,
особенно в неблагоприятных условиях, триглицериды подвергаются гидролизу, в результате чего количество свободных жирных кислот увеличивается. Параллельно растет и кислотное число.
Для свежего жира разных сортов кислотное число обычно не превышает 1,0–3,5. Повышенное кислотное число указывает на снижение качества
жира.
11.6 Переваривание и всасывание липидов
По усвояемости жиры можно разделить на три группы.
Жир с температурой плавления ниже температуры тела человека (растительный, молочный, рыбий) усваивается на 97÷98%.
Жир с температурой плавления выше 37°С усваивается примерно
на 90%.
Усвояемость жиров с температурой плавления 50÷60°С (говяжий, бараний) составляет 70÷80%.
Липиды – гидрофобные соединения, а липолитические ферменты –
гидрофильные.
Поэтому для переваривания липидов они, прежде всего, переводятся в
растворимую в воде форму – эмульсию.
Эмульгирование протекает при участии ПАВ, роль которых выполняют желчные кислоты1 и соли таурина и глицина.
В результате одна капля жира распадается на 1012 мельчайших капель.
При этом поверхность раздела возрастает в 10 000 раз.
Пропорционально ускоряется и гидролиз липидов.
Липолитическими ферментами являются:
- липаза (панкреатическая и кишечная);
- холестеролэстераза (панкреатическая);
- фосфатазы А1, А2, С и D (панкреатическая).
_______
1
– Желчные кислоты синтезируются из холестерина в печени, накапливаются в желчном пузыре и через желчный проток поступают в кишечник
156
Они вырабатываются в неактивной форме, а активируются в основном
желчными кислотами. Под действием этих ферментов при гидролизе липидов образуется смесь разных продуктов (рис.11.9).
Рис. 11.9. Схема гидролиза липидов при переваривании
Здесь следует отметить разницу в переваривании липидов у взрослых
людей и детей до года. У взрослых этот процесс протекает в тонком кишечнике, у детей до года начинается сразу в ротовой полости, так как язычная
липаза у них активна, а основные липиды – молочные (табл. 11.7).
Всасывание продуктов гидролиза липидов происходит в тонком кишечнике двумя способами:
- прямой диффузией (глицерин, низшие жирные кислоты (до С12),
Н3РО4, азотсодержащие соединения;
- в комплексе с желчными кислотами (МАГ, ДАГ, холестерин, ВЖК,
фосфолипиды).
Таблица 11.7 – Переваривание липидов
Отдел желудочно-кишечного
канала
Ротовая
полость
Желудок
Тонкий
кишечник
Условия
Дети до года:
- язычная липаза активна;
- молочный жир эмульгирован
Взрослые: нет липаз, жир не эмульгирован
Дети до года:
рН=5
- липаза активна
- эмульгирован молочный жир
Взрослые: рН =1,5–2,5
- липаза неактивна
- жир не эмульгирован (кроме молочного)
- HCl+NaHCO3 → NaCl+H2CO3
- рН = 7,0–8,7
- липаза активируется желчными
кислотами, кишечной колипазой и
ионами Ca2+
- эмульгирование жиров желчными
кислотами
Превращения
Начало гидролиза липидов
Механическая обработка липидов
Гидролиз молочного жира до
глицерина и жирных кислот
Липиды проходят желудок
практически без изменений
Гидролиз триглицеридов:
- 50–57% до моноглицеридов;
- 40% до глицерина и высших
жирных кислот;
- 3–10% не гидролизуется
157
В эпителиальных клетках кишечника из всосавшихся комплексов
освобождаются желчные кислоты и поступают в кровь. С кровью направляются в печень, затем в желчный пузырь, потом снова в кишечник. Возникает печеночно-кишечный цикл, в котором 3–5 г желчных кислот за сутки
совершают 5–10 оборотов, способствуя перевариванию и всасыванию 80–
100 г жиров. Около 0,5 г желчных кислот в сутки разрушается, поэтому вся
их масса обновляется каждые 10 дней [1].
Из оставшихся от комплексов МАГ и ВЖК в эпителиальных клетках
кишечника заново синтезируются липиды. Процесс называют 1-й ресинтез
жира. Его биологическое значение – синтез специфичных для организма
человека липидов.
11.7 Транспорт липидов в организме
Поскольку ресинтезированные жиры и часть продуктов гидролиза
липидов – гидрофобные соединения, их транспорт кровью возможен только
в растворимой в воде форме, в виде ЛП.
Все липопротеиновые частицы устроены одинаково (рис. 11.10), но отличаются содержанием жирового компонента.
Рис. 11.10. Липопротеиновая частица
В зависимости от содержания гидрофобного жирового компонента липопротеины можно разделить на фракции методом ультрацентрифугирования.
158
При этом они всплывают (флотируют) с разной скоростью. Мерой
всплывания служит коэффициент SF – Свёдберг флотации. В соответствии
с SF липопротеины делят на несколько видов (табл. 11.8) [9].
Таблица 11.8 – Классификация липопротеинов
Липопротеиновые
частицы
ХМ – хиломикроны
Место синтеза
Клетки кишечника
ЛПОНП – липопротеи- Печень
ны очень низкой плотности
ЛПНП – липопротеины Кровеносное русло
низкой плотности
ЛПВП – липопротеины Печень
высокой плотности
Биологическая роль
Перенос из кишечника экзогенного
жира (главным образом в жировую
ткань) и экзогенного холестерина в
печень
Транспорт эндогенного жира, синтезированного из углеводов в печени, в
жировую ткань
Образуются из ЛПОНП, транспортируют эндогенный холестерин в ткани
Удаление из тканей в печень холестерина, который затем выводится с
желчью
Липопротеиновый спектр плазмы крови, определяемый методом электрофореза, используется для оценки обмена липидов в организме, например, для диагностики атеросклероза.
При высоких концентрациях ЛПОНП в организме развивается атеросклероз.
11.8 Обмен липидов в тканях
Всосавшиеся продукты гидролиза липидов могут использоваться поразному. Это зависит от энергетических потребностей организма.
Избыток липидов откладывается в семенах, вегетативных органах
растений или жировой ткани человека и животных.
Подсчитано, что у современного среднестатистического взрослого
европейца содержание жировой ткани составляет примерно 13 кг.
Такого количества жира хватит на 40 суток полного голодания при
условии выполнения умеренной физической нагрузки.
Клетки жировой ткани называются адипоциты. Распад жиров в них
иначе называют липолиз или мобилизация жиров.
Это гидролитический процесс, катализируемый липазой жировой
ткани.
Активность липазы регулируется путем фосфорилированиядефосфорилирования под влиянием гормонов, представленных в табл.
11.9.
159
Таблица 11.9 – Регуляция липидного обмена
Орган
Гипофиз
Щитовидная железа
Поджелудочная
железа
Мозговое вещество надпочечников
Кора надпочечников
Половые железы
Эффект
- соматропин усиливает окисление жирных кислот и образование
кетоновых тел;
- гипофункция приводит к гипофизарному ожирению;
- гиперфункция – к гипофизарной катехсии (истощению)
- тироксин увеличивает скорость обмена липидов, снижает их
концентрацию в крови, способствует выведению холестерина с
желчью в кишечник
Инсулин тормозит распад липидов, обеспечивает их отложение в
жировой ткани и способствует образованию холестерина в других
тканях
К действию адреналина чувствительны два вида рецепторов:
α-адренорецепторы – уменьшают липолиз и
β- адренорецепторы – усиливают липолиз;
в целом адреналин увеличивает скорость обмена липидов, снижает их концентрацию в крови, способствует выведению холестерина с желчью в кишечник
Кортикостероиды:
- на фоне мышечной работы мобилизуют жир из жировых депо и
усиливают их распад в печени;
- в покое способствуют отложению жира в липидной ткани
Стимулируют распад жира
Кроме перечисленных в табл. 11.9 гормонов, в адипоцитах синтезируется полипептид, обладающий гормональным действием – лептин (лат.
leptos – тонкий, худой), который способствует уменьшению аппетита и
усилению липолиза.
В этом смысле липидную ткань можно считать эндокринной.
Под действием липазы жировой ткани из ТАГ образуются глицерин и
ВЖК.
11.8.1 Распад липидов
Продукты гидролиза липидов глицерин и ВЖК используются поразному в зависимости от энергетических потребностей организма.
Если других источников энергии нет, то глицерин и жирные кислоты
будут подвергаться дальнейшему окислению.
11.8.1.1 Окисление глицерина
Окисление глицерина начинается только после его активации при
участии фермента глицерокиназы (рис. 11.11).
160
Рис. 11.11. Активация глицерина
Образующийся α-глицерофосфат окисляется дегидрогеназой до
диоксиацетонфосфата.
Диоксиацетонфосфат изомеризуется до 3-ФГА (рис. 11.12), который
поступает во второй этап гликолиза и окисляется по пути углеводов.
Рис. 11.12. Образование 3-ФГА
Активный глицерин в зависимости от нужд организма используется
как в анаболических процессах, так и в катаболических процессах.
Полный распад (окисление) глицерина (в форме α-глицерофосфата или
3-ФГА) до СО2 и Н2О протекает по пути углеводов во втором этапе
гликолиза.
11.8.1.2 Окисление жирных кислот
Свободные жирные кислоты метаболически инертны и могут подвергаться превращениям только после активации.
Этот процесс протекает в цитоплазме клеток с образованием промежуточного продукта – ациладенилата.
При этом кислотный остаток соединяется макроэргической связью с
АМФ из молекулы АТФ, как показано на рис. 6.43, или упрощенно, как на
рис. 11.13.
161
Рис. 11.13. Первоначальное активирование жирной кислоты
Окончательная активация жирной кислоты – перенос кислотного
остатка из ациладенилата на КоА (рис. 11.14).
Рис. 11.14. Образование активной жирной кислоты
Для восстановления АМФ требуется АТФ:
.
Поэтому в целом на активацию одной жирной кислоты затрачивается
две молекулы АТФ.
Активация жирных кислот протекает в цитоплазме, а окисление – в
митохондриях. Транспорт жирных кислот из цитоплазмы в митохондрию
осуществляет фермент карнитинацилтрансфераза, который встроен во
внутреннюю мембрану митохондрии.
Цитоплазматическая и митохондриальная карнитинацилтрасферазы отличаются строением и кинетическими характеристиками. Максимальная скорость действия цитоплазматической карнитинацилтрансферазы меньше, чем у
митохондриальной карнитинацилтрасферазы, и меньше максимальной скорости ферментов β-окисления. Поэтому цитоплазматическая ацилкарнитинтрансфераза является ключевым ферментом распада жирных кислот. От ее активности зависит транспорт ВЖК в митохондрию. Если жирная кислота попадает в митохондрию, то она обязательно подвергается распаду (окислению).
Окисление жирных кислот называют β-окисление, поскольку все превращения протекают возле β-углеродного атома. Это циклический процесс.
Превращения в нем описали Кнооп и Линен1, поэтому окисление жирных
кислот иначе называют циклом Кноопа–Линена. Каждый цикл включает четыре реакции (табл. 11.10 и рис. 11.15).
_______
1
– Ф. Линен лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1964 года «За открытия, касающиеся механизмов и регуляции обмена холестерина и жирных кислот».
162
Таблица 11.10 – Реакции и ферменты β-окисления
Реакция цикла
1. Дегидрирование
2. Гидратация
3. Дегидрирование
4. Тиолазная реакция
Фермент, катализирующий реакцию
Ацил-КоА-дегидрогеназа ФАД-зависимая
β-еноил-КоА-гидратаза
β-оксиацил-КоА-дегидрогеназа НАД-зависимая
Ацилтрансфераза
Рис. 11.15. Превращения кислот в одном цикле β-окисления
Как видно из рисунка, за один цикл β-окисления исходная кислота стала короче на два атома углерода. Далее цикл повторяется до тех пор, пока
вся жирная кислота не превратится в ацетил-КоА. Например, пальмитиновая кислота (С16) превращается в 8 молекул ацетил-КоА за 7 циклов.
Если β-окислению подвергалась кислота с нечетным числом углеродных атомов, то на последней стадии образуется не ацетил-КоА, а пропионил-КоА.
В этом случае из пропионил-КоА путем карбоксилирования синтезируется метилмалонил-КоА (рис. 11.16). Метилмалонил-КоА преобразуется
до сукцинил-КоА, который поступает в ЦТК.
Рис. 11.16. Окисление нечетных остатков кислот
163
11.8.1.3 Перекисное окисление липидов
Перекисное окисление липидов (ПОЛ) – это физиологический процесс, регулирующий проницаемость мембран, влияющий на деление и рост
клеток, инициирующий фагоцитоз, а также являющийся путем синтеза ряда
биологически активных веществ (простагландинов, тромбоцитарных факторов).
По механизму действия перекисное окисление липидов – свободнорадикальный процесс. Инициируется в присутствии активных форм кислорода
(АФК) – супероксидиона О2*, гидроксильного радикала НО*, гипероксидного
радикала НО2*, синглетного кислорода *О2, гипохлоритного иона ClО–.
Основными субстратами ПОЛ являются ВЖК, входящие в структуру
фосфолипидов клеточных мембран. Под действием АФК окисление ВЖК
происходит с образованием свободных радикалов, перекисей, гидроперекисей, диеновых конъюгатов, малонового диальдегида.
Физиологический уровень ПОЛ осуществляется антиоксидантной системой, которая включает ферменты и неферментные антиоксиданты (табл.
11.11). ПОЛ может протекать и вне живых организмов.
Такому процессу подвергаются жиры и масла при хранении в неблагоприятных условиях. Например, ярко-желтый, осаленный налет на поверхности сливочного масла, называемый штафф, появляется как результат свободно-радикальных процессов, где есть доступ АФК.
Таблица 11.11 – Контроль ПОЛ
Антиоксидантная система
Антиоксидантные ферменты
Неферментные антиоксиданты
Супероксиддисмутаза, каталаза, глутати- Витамины Е и С, β-каротин, мочевая
онпероксидаза, церулоплазмин
кислота, убихинон (КоQ)
11.8.1.4 Образование кетоновых (ацетоновых) тел
Липидному обмену всегда сопутствует образование кетоновых (ацетоновые) тел. К ним относят β-оксимасляную, ацетоуксусную кислоты и ацетон (рис. 11.17).
Рис. 11.17. Кетоновые тела
Ранее считалось, что кетоновые тела – это недоокисленные продукты
распада жирных кислот. После того, как стало известно, что в крови обнаруживается D-изомер β-оксимасляной кислоты, а при β-окислении образуется
164
L-изомер, стал понятен истинный механизм их синтеза1 и значение для организма. Кетоновые тела легко проходят через митохондриальные и клеточные
мембраны печени поступают в кровь, переносятся к периферическим органам и тканям, подвергаются превращениям, показанным на рис. 11.18, и в
виде ацетил-КоА используются в качестве энергетического материала [1, 4].
Рис. 11.18. Образование ацетил-КоА из кетоновых тел:
путем дегидрирования β-оксимасляная кислота окисляется до ацетоуксусной,
которая активируется в ацетоацетил-КоА. При расщеплении ацетоацетил-КоА тиолазой
образуются 2 молекулы ацетил-КоА, которые затем включаются в ЦТК
Установлено, что сердечная мышца и корковый слой почек больше используют в качестве «топлива» ацетоуксусную кислоту, а не глюкозу [1]. Даже мозг, который при сбалансированном рационе извлекает энергию исключительно из глюкозы, может адаптироваться к использованию ацетоацетата.
Так происходит при отказе от углеводов, длительном голодании или сахарном
диабете. Подсчитано, что при длительном голодании ацетоацетат может компенсировать до 75% потребности мозга в энергии. Сама печень в этом смысле
является исключением и не использует кетоновые тела как источник энергии.
Как видно из рис. 11.18 ацетон не используется в энергетическом обмене. Он образуется в организме спонтанно путем неферментативного декарбоксилирования ацетоуксусной кислоты, затем выводится с мочой, выдыхаемым воздухом или потовыми железами.
В норме содержание кетоновых тел составляет не более 0,1–0,2
ммоль/л крови. При отказе от углеводов и в других перечисленных случаях,
например, через 2-3 суток голодания содержание кетоновых тел в крови
возрастает до 2,0–3,0, через несколько недель – до 20,0–30,0 ммоль/л крови.
Увеличение содержания кетоновых тел в крови называют кетонемия. Из
организма они будут выводиться с мочой – кетонурия. У сельскохозяйственных животных такое состояние называют кетоз.
_________
1
– Кетоновые тела образуются в печени конденсацией двух молекул ацетил-КоА. В результате
чего образуется ацетоацетил-КоА. Далее пути могут расходиться. В первом случае ацетоацетилКоА взаимодействует еще с одной молекулой ацетил-КоА и образуется β-окси-β-метилглутарилКоА. Под действием лиазы он расщепляется на ацетоацетат и ацетил-КоА. Во втором случае ацетоацетил-КоА подвергается действию гидролазы (деацилазы) и от нее отщепляется свободный
КоА. Однако активность деацилазы в печени незначительна, поэтому второй путь образования
ацетоуксусной кислоты (ацетоацетата) существенного значения не имеет. Далее ацетоуксусная
кислота восстанавливается до β-оксимасляной либо декарбоксилируется до ацетона.
165
11.8.2 Биосинтез триглицеридов
Биосинтез липидов в виде триацилглицеридов (ТАГ) имеет важное
биологическое значение, так как обеспечивает живые организмы запасом
энергетического материала на длительный срок.
Возможны два пути биосинтеза липидов:
1. Моноглицеридный – локализован в слизистой кишечника (иначе 1-й
ресинтез жира).
2. α-глицерофосфатный – локализован в цитозоле клеток разных тканей кроме клеток мозга.
В обоих случаях для биосинтеза липидов нужны активные формы глицерина и жирных кислот.
11.8.2.1 Синтез глицерина
Синтез глицерина может осуществляться двумя путями, во-первых, активацией глицерина (рис. 11.19), во-вторых, восстановлением диоксиацетонфосфата, образующегося при распаде глюкозы в процессе гликолиза
(рис. 11.20).
Рис. 11.19. Активация глицерина с помощью фермента глицерокиназы
Рис. 11.20. Восстановление диоксиацетонфосфата:
катализируется α-глицеролфосфат:НАД+-дегидрогеназой
11.8.2.2 Синтез жирных кислот (малоновый цикл)
Синтез жирных кислот – это циклический процесс. Каталитическую
роль в нем играет малоновая кислота. Субстратом для синтеза ВЖК служит ацетил-КоА. Это ключевой метаболит, который может использоваться
как в анаболических, так и в катаболических процессах. Он образуется в
матриксе митохондрии, а синтез ВЖК идет в цитоплазме на мембранах эн166
доплазматического ретикулума. Самостоятельно преодолеть мембраны митохондрии ацетил-КоА не может. Поэтому для транспорта ацетил-КоА из
митохондрий в цитоплазму существует определенный механизм, регуляторами которого служат АТФ и АДФ [1, 4].
Если АТФ в клетке мало, то ацетил-КоА остается в митохондрии и
расщепляется до СО2 и Н2О в ЦТК. Если клетка хорошо обеспечена энергией, АТФ ингибирует ключевые ферменты ЦТК – цитратсинтазу и изоцитратдегидрогеназу. Причем изоцитратдегидрогеназа угнетается сильнее, чем
цитратсинтетаза. В результате в матриксе митохондрии накапливается цитрат, а затем выходит из митохондрии в цитоплазму. В цитоплазме есть
фермент цитратлиаза, который расщепляет цитрат на ЩУК и ацетил-КоА.
При биосинтезе жирных кислот в каждом цикле происходит удлинение
цепочки на два атома углерода, но это реакции принципиально отличные от
реакций обратных β-окислению (табл. 11.12).
Таблица 11.12 – Различия в циклах синтеза и окисления жирных кислот
Параметр
Особенности процессов
Малоновый цикл
β-окисление
Метаболиты
Связаны с ацил-переносящим Связаны с КоА
белком (АПБ)
Ферменты
Восстановители (НАДФН)
Окислители (ФАД и НАД)
В каждом цик- Используется не сам ацетил- Укорочение происходит за счет
ле
КоА, а его производное – мало- отщепления двух атомов углерода
нил-КоА
в виде ацетил-КоА
Малонил-КоА синтезируется из ацетил-КоА, как показано на схеме
(рис. 11.21).
Рис. 11.21. Образование активной малоновой кислоты
Реакцию катализирует фермент ацетил-КоА-карбоксилаза. Это ключевой фермент в процессе синтеза жирных кислот. Его активность регулируется по типу отрицательной обратной связи. Ингибитором является продукт
синтеза – пальмитоил-КоА, а активатором – цитрат.
После образования малонил-КоА синтез жирных кислот катализируется одним мультиферментным комплексом – синтетазой жирных кислот.
Он фиксирован на мембранах эндоплазматического ретикулума.
В составе синтазы ВЖК находится семь ферментов (рис. 11.22): 1 –
ацетилтрансфераза, 2 – малонилтрансфераза, 3 – β-кетоацилсинтаза, 4 –
β-кетоацилредуктаза, 5 – β-оксиацилдегидратаза, 6 – еноилредуктаза, 7 –
ацилпереносящий белок (АПБ) [13].
167
Рис. 11.22. Одна стадия малонового цикла
168
АПБ – сложный белок, который в составе небелковой части содержит
аминоэтантиол, витамин В3 и фосфорный остаток. Благодаря SH-группам
АПБ передает кислотные остатки от одного фермента к другому (рис. 11.22).
За каждый цикл углеводородная цепочка будущей жирной кислоты растет на
два углеродных атома. Это происходит до момента, пока она не удлинится до
16 углеродных атомов (в случае синтеза пальмитиновой кислоты) или более
(синтез других жирных кислот). Вслед за этим происходит тиолиз, и образуется в готовом виде активная форма жирной кислоты ацил-КоА.
Синтез высших жирных кислот возможен, если выполняются условия:
- поступают углеводы, при окислении которых образуются необходимые субстраты (ацетил-КоА) и НАДФН+Н+ (из ПФЦ);
- высокий энергетический статус клетки, так как большое содержание
АТФ, обеспечивает выход цитрата из митохондрий в цитоплазму.
Обмен углеводов и обмен жиров очень тесно связаны. Углеводы легко
могут превращаться в жиры, а вот превращение жиров в углеводы невозможно. Жиры не могут превращаться в углеводы, так как ацетил-КоА не
может превращаться в ПВК. Обмен жиров и углеводов объединяется как
энергетический обмен, который находится под контролем гормонов.
При наличии активных форм глицерина и жирных кислот синтез липидов в тканях протекает по схеме, представленной на рис. 11.23.
–Н3РО4
Рис. 11.23. Схема биосинтеза триглицеридов
11.8.3 Биосинтез фосфолипидов
Процесс биосинтеза фосфолипидов (ФЛ) связан с обновлением клеточных мембран. Первые стадии синтеза ФЛ совпадают с синтезом ТАГ до
фосфатидной кислоты, а из нее – диглицерида.
Но для дальнейшего синтеза необходимо ЦДФ-производное аминоспирта, которое образуется в два этапа (рис. 11.24).
169
Рис. 11.24. Активирование аминоспирта:
1 – фосфорилирование; 2 – образование ЦДФ-производного
Далее на свободную ОН-группу ДАГ переносится фосфорилированный
аминоспирт из ЦДФ-производного (рис. 11.25).
Рис. 11.25. Схема синтеза фосфолипида
Фосфатидилхолин образуется аналогично или поэтапным метилированием фосфатидилэтаноламина (рис. 11.26).
170
Рис. 11.26. Образование фосфатидилхолина
Фосфатидилсерин у млекопитающих образуется 2 путями (рис. 11.27, 11.28).
Рис. 11.27. Образование фосфатидилсерина
заменой аминоспирта на аминокислоту
Рис. 11.28. Синтез фосфатидилсерина из фосфатидной кислоты
171
11.8.4 Синтез холестерина
По своему происхождению в организме холестерин может быть экзогенным (поступает с продуктами) и эндогенным (синтезируется в организме. Биосинтез холестерина в организме – естественный процесс, поскольку
холестерин служит предшественником многих биологически активных соединений. Холестерин синтезируется в печени из ацетил-КоА.
Условно весь процесс можно разделить на три этапа.
Первый этап – превращение ацетил-КоА в мевалоновую кислоту (рис.
11.29).
Второй этап – образование сквалена из мевалоновой кислоты. Первоначально синтезируются изопреновые остатки (рис. 11.29), которые конденсируются в сквален, полинепредельный углеводород. Одна молекула сквалена содержит шесть остатков изопрена.
Рис. 11.29. Метаболиты в синтезе холестерина:
а – мевалоновая кислота; б – изопрен
Третий этап – циклизация сквалена в холестерин. Регулируется синтез
холестерина гормональным путем.
Усиливают процесс инсулин и тиреоидные гормоны, глюкагон и глюкокортикостероиды, наоборот, угнетают синтез холестерина.
Вопросы для самоконтроля:
1. Биологическое значение липидов в организме.
2. Классификация липидов. Липидные мономеры. Какие соединения повышают биологическую ценность липидов?
3. Примеры простых липидов.
4. Какие соединения входят в группу фосфолипидов, гликолипидов, стеринов?
5. В чем заключаются особенности молочного жира? Почему молочный жир усваивается лучше, чем другие липиды?
6. Расщепление жиров в пищеварительном канале и в тканях.
7. Регуляция обмена липидов в организме человека.
8. Окисление глицерина и жирных кислот (β-окисление – цикл Кноопа–Линена).
9. Синтез жирных кислот – малоновый цикл.
10.Синтез триглицеридов и фосфолипидов.
11. Синтез холестерина.
172
ГЛАВА 12. ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ
12.1 Переваривание и всасывание белков
Белки усваиваются организмом только после гидролиза до аминокислот. Ферменты, расщепляющие белки, вырабатываются в неактивной форме
и предварительно должны быть активированы.
Чтобы провести полный гидролиз белков до свободных аминокислот,
требуется расщепить десятки, сотни и тысячи связей.
Для этого необходим набор разных ферментов – протеиназ (пепсин,
трипсин, химотрипсин и др.).
Каждый фермент гидролизует пептидные связи, образованные только
определенными аминокислотами.
Например, трипсин действует на связи, образованные Арг и Лиз, а химотрипмин – на связи, образованные остатками Фен, Тир и Три.
Все это объясняет, почему белки относятся к трудно усваиваемым
компонентам пищи.
Подсчитано, что переваривание белков увеличивает основной обмен на
30–40%.
Различные белки отличаются разной степенью усвояемости. Белки животного происхождения усваиваются на 93–96%, белки из растительных
продуктов – на 62–80%, а из грибов на 20–40%.
Это объясняется тем, что набор аминокислот отличается в разных пищевых белках, и гидролиз белков различного происхождения в пищеварительном канале под действием протеиназ протекает с разной интенсивностью.
Один из самых легко усваиваемых белков – белок молока.
Еще И.П. Павлов1 в своих работах показал, что переваривание и усвоение молока происходит при минимальной работе пищеварительных желез.
На усвоение белка молока требуется в 3-4 раза меньше энергии, чем на
усвоение белка хлеба. При переваривании белков протекают следующие
превращения (табл. 12.1).
Освобождающиеся при гидролизе белков аминокислоты, всасываются
с помощью белка-переночика через кишечную стенку и поступают в кровь.
Процесс активируется ионами Na+.
В некоторых случаях гидролиз белков в тонком кишечнике проходит
не полностью (табл. 12.2).
В результате нерасщепленные белки поступают в толстый отдел кишечника. Здесь не секретируются пищеварительные соки, но присутствуют
аэробные и анаэробные микроорганизмы. Они вырабатывают различные
ферменты, под влиянием которых белки подвергаются гниению.
_______
1
– И.П. Павлов лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1904 года «За труды
по физиологии пищеварения, расширившие и изменившие понимание жизненно важных аспектов этого вопроса»
173
Таблица 12.1 – Этапы расщепления белков в пищеварительном канале
Отдел
желудочнокишечного
канала
Условия
Превращения
Ротовая
полость
Нет протеиназ
Механическая обработка белков
Желудок
- рН =1,5–2,5
соляная кислота:
- активирует пепсин;
- подавляет гнилостные
процессы
Пепсин расщепляет ≈20% связей.
В итоге остается часть нерасщепленного
белка, высокомолекулярные пептиды и немного свободных аминокислот
Тонкий
кишечник
- HCl+NaHCO3 →
NaCl+H2CO3
- рН = 7,0 – 8,7
- протеиназы: трипсин,
химотрипсин, карбоксипептиазы панкреатического сока, аминои депептидазы кишечного сока
- трипсин расщепляет ≈30% связей; в итоге образуются высокомолекулярные пептиды, дипептиды и свободные аминокислоты;
- химотрипсин расщепляет ≈50% связей в
результате остается немного пептидов, дипептиды и свободные аминокислоты;
- карбокси-, амино- и дипептидазы расщепляют остальные пептидные связи
Толстый кишечник
- аэробные и анаэробные микроорганизмы,
простейшие;
- ферменты бактериального происхождения
- «гниение» нерасщепленного белка – гидролиз белка, декарбоксилирование, дезаминирование и переаминирование
- конечные продукты гниения ядовиты, обладают неприятным запахом фенол, крезол,
индол, скатол и др.
При этом образуются ядовитые продукты с неприятным запахом (фенол, крезол, индол, скатол и др.).
Они всасываются через слизистую оболочку кишок и поступают в кровеносную и лимфатическую системы.
Часть этих веществ инактивируется в печени при участии специфических ферментов, но это дополнительная нагрузка на печень.
Необезвреженные в печени ядовитые продукты разносятся по всему
организму, тем самым отравляя его органы, ткани и клетки [8].
174
Таблица 12.2 – Причины не полного расщепления белков в пищеварительном
канале
Причина
Пояснение
Возраст
- ранний (дети до года)
во-первых, низкая активность ферментов кишечника;
во-вторых, высокая проницаемость кишечной стенки – в результате попадания чужеродных нерасщепленных белков в кровь, организм дает ответную реакцию в виде аллергии;
- пожилой
с возрастом активность протеиназ снижается
Ингибиторы
протеиназ в
продуктах или
воде
- природные ингибиторы содержатся в сыром яйце или сое;
- ингибиторы экзогенного характера, например, тяжелые металлы, консерванты
Помимо перечисленных в табл. 12.2 причин, процессы гниения белков
интенсивно развиваются при заболеваниях пищевого канала, инфекционных и инвазионных болезнях, нарушении режима питания, если рацион перегружен белковой пищей.
По данным ВОЗ между потреблением, так называемого, красного мяса,
включающего говядину, баранину и свинину, и некоторыми видами рака
установлена положительная взаимосвязь.
Белки перечисленных продуктов содержат такие сочетания аминокислот, которые плохо атакуются пищеварительными ферментами, в результате часть нерасщепленных белков оказывается в толстом кишечнике.
Поэтому при выборе белков животного происхождения следует отдавать предпочтение белкам рыбы, птицы, яйца, молока и молочных продуктов.
12.2 Обмен белков и аминокислот в тканях
Для обмена белков в организме человека характерна одна важная особенность – ни белки, ни аминокислоты не могут запасаться впрок, как,
например, липиды в жировой ткани или углеводы в виде гликогена.
Пищевые аминокислоты (образующиеся при переваривании белков) с
кровью разносятся к разным органам и тканям, где используются для синтеза белков.
Подсчитано, что в организме взрослого человека ежесуточно синтезируется 1,3 г белка на 1 кг массы (в среднем 90–100 г).
При этом с помощью изотопных методов установлено, что пищевые
аминокислоты составляют лишь ¼ часть.
Это свидетельствует о том, что в тканях организма белки подвергаются
постоянному обновлению.
175
Разные белки обновляются с разной скоростью. Сроки функционирования инсулина составляют 20–30 минут, белков слизистой кишечника –
2–-4 суток, гемоглобина – 100–120 суток, коллагена – 6–8 месяцев.
Отслужившие свой срок молекулы белков подвергаются действию тканевых пептидгидролаз и разрушаются до свободных аминокислот по схеме:
Белок → высокомолекулярные → низкомолекулярные → аминокислоты
полипептиды
полипептиды
Аналогично протекает распад белков при созревании сыров и в готовом продукте всегда присутствуют все компоненты, представленные на
данной схеме. Соотношение продуктов распада: пептидов, аминокислот,
аминов существенно влияет на вкус и аромат. Например, средне и низкомолекулярные пептиды, обладающие горьким вкусом, придают некоторым
сырам характерный горьковатый привкус. Процессы обмена белков в организме человека регулируются при участии ряда гормонов (табл. 12.3).
Таблица 12.3 – Регуляция обмена белков и аминокислот
Орган
Эффект
Гипофиз
Соматотропин усиливает синтетические процессы белка
Щитовидная железа
Тироксин увеличивает скорость биосинтеза белков
Поджелудочная железа
Мозговое вещество
надпочечников
Инсулин обеспечивает преобладание синтеза белков над их распадом; стимулирует связывание и-РНК с рибосомами
Адреналин увеличивает скорость расщепления в тканях белков и
выделения азотистых продуктов обмена с мочой
Кортизон тормозит синтез белков, увеличивает их распад и выдеКора надпочечников
ление азотистых продуктов обмена с мочой
Тестостерон стимулирует биосинтез белка в мышечной ткани, выСеменники
зывая накопление в организме азота
В результате обмена белков часть аминокислот подвергается распаду.
Обязательной стадией при этом является дезаминирование или переаминирование (см. раздел 3.2). По направлению использования безазотистого остатка
аминокислоты делят на две группы: кетогенные и гликогенные (табл. 12.4).
Таблица 12.4
Кетогенные (липопластические)
Распадаются до:
- ацетил-КоА;
- ацетоацетил-КоА.
В итоге возрастает содержание кетоновых тел и могут быть синтезированы высшие жирные кислоты.
Лей, Лиз
Гликогенные (глюкопластические)
Распадаются до:
Компонентов ЦТК – ПВК, α-кетоглутаровой,
сукцинил-КоА, фумарата, оксалоацетата.
Могут быть превращены в фосфоенолПВК, а
затем в глюкозу
Гли, Ала, Вал, Сер, Тре, Про, Цис, Асп, Глу,
Мет, Арг, Гис
Одновременно кетогенные и гликогенные – Иле, Лиз, Фен, Тир, Три. В
настоящее время известны пути распада всех протеиногенных аминокислот.
176
12.2.1 Обмен отдельных аминокислот
Глицин – простейшая аминокислота. Включается в синтез пуриновых
азотистых оснований, пиррольных циклов. Участвует в обезвреживании
ядовитых соединений (бензойной, фенилуксусной кислот, фенолов).
Серин – заменимая оксиаминокислота. Необходима для синтеза фосфолипидов, является предшественником этаноламина, холина.
Оксигруппа серина входит в состав активных центров многих ферментов, таких, как трипсин, химотрипсин, эстеразы, фосфорилазы, фосфатазы.
При распаде сначала освобождается от спиртового гидроксила, а затем
гидролитическим путем – от аминогруппы. В результате образуется ПВК,
которая легко вовлекается в ЦТК и окисляется там до Н2О и СО2.
Метионин – незаменимая серосодержащая аминокислота. Передает
метильную группу на другие соединения. В результате образуются холин,
креатин, адреналин, азотистые основания.
После освобождения от метильной группы сера метионина в основном
переходит в серу цистеина.
Цистеин содержит высокоактивную сульфгидрильную группу, которая может легко окисляться с образованием дисульфидной связи.
Такое превращение происходит между разными полипептидными цепями или в пределах одной полипептидной цепи при формировании третичной структуры белка и называется посттрансляционная модификация
белка. Именно таким образом стабилизированы молекулы инсулина, химотрипсина и др.
Активность сульфгидрильной группы проявляется в ферментативном катализе. Например, многие ферменты содержат в активном центре SH-группы,
необходимые для каталитической реакции. Известно, что активность таких
ферментов утрачивается при окислении SH-групп.
Цистеин – составная часть трипептида глутатиона, обладающего окислительно-восстановительными свойствами. Предполагают, что глутатион поддерживает активную восстановленную форму ферментов, за счет собственного окисления. В тканях цистеин может декарбоксилироваться с образованием
тиоэтаноламина, который необходим для синтеза КоА или окисляется до таурина.
Таким образом, цистеин – это предшественник таурина, который играет роль нейромедиатора, обладает противосудорожной активностью. Таурин способствует улучшению энергетических процессов, стимулирует восстановительные процессы, например, в тканях глаза. В печени таурин образует в комплексы с желчными кислотами1 и способствуют эмульгированию
жиров в кишечнике.
_______
1
– Комплексы таурина и желчных кислот иначе называют конъюгаты. Аминогруппа таурина
в них ацилирована желчными кислотами. Это компоненты желчи, обладающие поверхностноактивными свойствами. К ним относят таурохолевую и тауродезоксихолевую кислоты.
177
Аспарагиновая и глутаминовая кислоты играют большую роль в обмене белков, осуществляют транс- и дезаминирование аминокислот. Могут
акцептировать NH3 не только в свободном виде, но и в составе белков. В результате образуются соответствующие амиды: аспрагин и глутамин. Участвуют в обезвреживании NH3, образуя амиды.
Обмен большинства аминокислот проходит через стадию образования
аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Обе аминокислоты участвуют в синтезе азотистых оснований.
Декарбоксилирование аспарагиновой кислоты приводит к образованию
α- или β-аланина (рис. 12.1).
Рис. 12.1. Пути декарбоксилирования Асп
При α-декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется γ-аминомасляная кислота (рис. 12.2), которая тормозит процессы возбуждения в
сером веществе коры головного мозга и используется как лекарственное
средство при некоторых заболеваниях ЦНС.
Рис. 12.2. Образование γ-аминомасляной кислоты
Фенилаланин – незаменимая ароматическая аминокислота. Окисляется до тирозина, который далее превращается в хинон (рис. 12.3). Хиноны
входят в состав меланопротеинов – белков, придающих окраску коже, волосам, шерсти.
В обмене Фен может наблюдаться наследственный сбой – синтез ряда
дефектных ферментов. Например, при дефекте синтеза фенилаланингидроксилазы наблюдается заболевание фенилкетонурия.
В этом случае образуется не Тир, а фениллактат, фенилпируват и фенилацетат, которые накапливаются в крови и выводятся с мочой. Эти продукты токсичны для мозга и вызывают у детей тяжелое отставание умственного развития (фенилпировиноградная олигофрения), предупредить
развитие которой можно, соблюдая диету, не содержащую Фен.
178
Рис. 12.3. Превращения фенилаланина и тирозина:
1 – реакция катализируется фенилаланингидроксилазой;
2 – реакция катализируется тирозиназой
Другое нарушение возникает при дефекте тирозиназы и называется
альбинизм. Из-за сбоя в синтезе пигмента меланина кожа и волосы у человека слабо пигментированы, а зрачки глаз красного цвета, так как просвечивают сосуды глазного дна из-за отсутствия пигментов в радужной оболочке.
Тирозин – предшественник ряда важных соединений. Из тирозина синтезируются гормоны щитовидной железы: тетраиодтиронин и трииодтиронин.
При участии тирозиназы он окисляется до диоксифенилаланина (ДОФА), а затем до ДОФА-хинона, который входит в состав сложных белков
меланопротеинов, придающих окраску коже, волосам, шерсти и т. д.
Диоксифенилаланин может подвергаться декарбоксилированию с образованием дофамина (диоксифенилэтиламина), который является предшественником катехоламинов (нейромедиаторов) – норадреналина и адреналина (рис. 12.4).
179
Рис. 12.4. Образование дофамина
Триптофан – незаменимая для человека и животных аминокислота. Из
нее синтезируются такие биологически активные соединения как серотонин
(рис. 12.5) и рибонуклеотид никотиновой кислоты.
Серотонин высокоактивный биогенный амин сосудосуживающего
действия. Он регулирует артериальное давление, температуру тела, дыхание, почечную фильтрацию и является медиатором нервных процессов в ЦНС.
Рис. 12.5. Образование серотонина при декарбоксилировании Три
В норме более 95% триптофана окисляется по кинурениновому пути,
который приводит к образованию НАД, уменьшая потребность организма в
витамине В5, и не более 1% – по серотониновому пути.
12.3 Обезвреживание аммиака
При распаде аминокислот образуются три конечных продукта: Н2О, СО2
и NН3. Н2О и СО2 безопасны для клеток и организма в целом, а NН3 токсичен,
у человека и животных он отравляет нервную систему. Поэтому в организме
существует несколько путей обезвреживания аммиака (табл. 12.5).
180
Таблица 12.5 – Способы обезвреживания аммиака
Название
Сущность
Синтез мочевины
(орнитиновый цикл)
- основной путь обезвреживания NH3 катализируется аминокислотой орнитин;
- происходит в печени, включает пять реакций (рис. 12.6)
Синтез амидов аспарагиновой и глутаминовой кислот
вспомогательный путь обезвреживания NH3; особенно активен в нервной, мышечной тканях, почках
Образование аммонийных солей
в тканях почек NH3 органическими и неорганическими кислотами образует нейтральные и кислые соли, которые выделяются с мочой
Таким образом, продуктами распада белков и аминокислот являются
небелковые азотсодержащие соединения: мочевина, некоторые аминокислоты и соли аммония.
Рис. 12.6. Реакции орнитинового цикла
Вопросы для самоконтроля:
1. Переваривание и всасывание белков в желудочно-кишечном тракте моногастричных
животных.
2. Особенности переваривания белков у жвачных животных.
3. Биохимические процессы в толстом отделе кишечника. Гниение белков и пути обезвреживания продуктов распада.
4. Распад белков до аминокислот в тканях.
5. Общие пути распада аминокислот до конечных продуктов (дезаминирование, декарбоксилирование, распад углеродного скелета).
6. Пути распада отдельных аминокислот.
7. Образование небелковых азотистых соединений. Синтез мочевины (орнитиновый
цикл) и другие пути обезвреживания аммиака.
181
ГЛАВА 13. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Нуклеопротеины поступают в организм человека с разными продуктами (мясные, рыбные, полученные с использованием дрожжевого брожения).
В пищеварительном канале они подвергаются расщеплению (табл. 13.1).
Таблица 13.1 – Переваривание и всасывание нуклеопротеинов
Этап
Переваривание
Всасывание
Сущность
- нуклеопротеины пищи в желудке и тонком кишечнике расщепляются на простые белки и нуклеиновые кислоты;
- белки усваиваются обычным путем
- нуклеиновые кислоты расщепляются по схеме:
- в тонком кишечнике всасываются нуклеотиды, нуклеозиды, азотистые основания, сахара, эфиры и соли фосфорной кислоты и поступают в кровь, а затем в печень
В норме 90% продуктов переваривания полностью расщепляется. При
распаде пуринов образуется мочевая кислота, при распаде пиримидинов –
β-аланин, СО2 и NН3.
Нерасщепленные АО (около 10%) могут использоваться для регенерации нуклеотидов, поскольку в тканях организма происходит постоянное
обновление НК. Известно, например, что период полужизни молекул ДНК
составляет 1–5 суток.
В тканях НК расщепляются по такой же схеме, как показано в табл.
13.1.
Несмотря на то, что АО подвергаются полному распаду, в клетках
налажен их синтез заново, причем из самых простых соединений: СО2, NН3
и заменимых аминокислот (Гли, Асп, Глн). Это мудрое решение природы,
которое позволяет сохранять генетический материал, так как АО являются
элементами нуклеотидов, из которых построены НК.
13.1 Биосинтез ДНК и РНК
Биосинтез нуклеиновых кислот протекает из отдельных нуклеотидов.
Для ДНК необходимы: дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, а для РНК – АТФ,
ГТФ, ЦТФ и УТФ.
Энергию процесс получает при разрыве макроэргической связи в нуклеозидтрифосфате и отщеплении пирофосфата.
Химизм образования нуклеотидной связи – перенос остатка нуклеозидмонофосфата из нуклеозидтрифосфата к 3/-углеродному атому рибозы
или дезоксирибозы концевого нуклеотида. Фермент, катализирующий реакцию, называют нуклеотидилтрансферазой (рис. 13.1).
182
Рис. 13.1. Схема образования межнуклеотидной связи
Таким образом, цепочка будущей НК постепенно удлиняется. Но между синтезом ДНК и РНК есть существенные различия.
13.1.1 Биосинтез ДНК – репликация
Биосинтез ДНК иначе репликация (от позднелат. replicatio – повторение) – воспроизведение молекулы ДНК.
Протекает в ядре клетки в S-фазу клеточного цикла.
Механизм репликации полуконсервативный, поскольку в результате
образуются две новые молекулы ДНК, в каждой из которых одна цепь «материнская», а другая – «дочерняя».
Матрицей служит двуспиральная молекула ДНК.
Для репликации необходим ряд ферментов и белковых факторов (табл. 13.2).
183
Таблица 13.2 – Важнейшие ферменты репликации (на примере E. coli)
Фермент
Функции
Топоизомераза
Устраняет суперспиральное состояние
Хеликаза
Расплетает двойную спираль и удерживает одиночные цепи
от соединения
ДНК-полимераза I
Действует как собственно полимераза, а также как экзонуклеаза расщепляет нуклеотидную цепь от 3/-конца к 5/концу, то есть удаляет неправильно присоединенный нуклеотид, или в направлении 3/-5/ разрушает затравку
ДНК-полимераза II
На 10% обладает активностью ДНК-полимеразы I, но основная функция – достраивание поврежденных участков в молекуле ДНК, то есть участие в репарации
ДНК-полимераза III
Основной фермент удлинения (элонгации) полинуклеотидной цепи
ДНК-лигаза
Образует фосфодиэфирные связи между 3/- и 5/-концами цепей ДНК, находящимися на расстоянии одного нуклеотидного звена
В эукариотических клетках есть аналоги этих ферментов.
Например, истинный фермент элонгации обозначается α-полимераза,
β-полимераза участвует в репарации.
Цикл репликации состоит из инициации, элонгации и терминации.
Инициация биосинтеза ДНК – комплекс процессов, приводящих к
старту биосинтеза ДНК.
Включает:
1. Синтез затравки, которую иначе называют праймер. Реакция катализируется ферментом праймазой. Этот фермент обладает свойствами РНКполимеразы, то есть синтезирует РНК-нуклеотид.
2. Объединение ферментов и белковых факторов в один большой комплекс – праймосому.
Элонгация биосинтеза ДНК – (от англ. long – длинный, удлинение).
Элонгацию нити ДНК принято рассматривать на схеме, называемой репликативная вилка (рис. 13.2).
Вопросы завершения биосинтеза ДНК – терминации находятся в стадии выяснения.
184
Рис. 13.2. Репликативная вилка
К 3/-концу затравки при участии ДНК-полимеразы III присоединяются
нуклеозидмонофосфаты комплементарные нуклеотидам на материнской
нити. Так растет дочерняя цепь на ведущей ветви ДНК.
На противоположной ветви 3/-конец затравки совпадает с 5/-концом
материнской нити. На первый взгляд, присоединение комплементарных
нуклеотидов здесь невозможно. Оказалось, что на ведомой ветви ДНК одновременно синтезируется множество затравок, на 3/-концах которых идет
синтез дочерней цепи. Только дочерняя цепь растет не целиком, а кусочками, их называют фрагменты Оказаки1. В момент, когда 3/-конец одного из
фрагментов Оказаки достигает 5/-конца затравки, ДНК-полимераза I начинает разрушать затравку и одновременно продолжать наращивать дочернюю цепь.
Когда вся затравка разрушена, два соседних фрагмента Оказаки находятся на расстоянии одного нуклеотида. Их соединяет ДНК-лигаза. Таким
образом, синтезируется дочерняя цепь на ведомой (отстающей) ветви ДНК.
_______
1
– Получили название фрагментов Оказаки в честь японского биохимика Т. Оказаки, который впервые в 1967 г. на VII Международном биохимическом конгрессе в Токио предложил
схему биосинтеза ДНК, преодолевшую трудности, связанные с антипараллельностью цепей ДНК
в ее биспиральной молекуле С. Очоа и А. Корнберг лауреат Нобелевской премии по физиологии
и медицине 1959 года «За открытие механизмов биологического синтеза рибонуклеиновой и
дезоксирибонуклеиновой кислот».
185
13.1.1.1 Репарация повреждений ДНК
Репарация — способность клеток исправлять повреждения в молекулах ДНК, возникшие при биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов.
Репарация осуществляется специальными ферментными системами
клетки, которые существуют у микроорганизмов, животных и человека.
Системы репарации включают:
- фермент, «узнающий» химически измененные участки в цепи ДНК и
осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения;
- фермент, удаляющий поврежденный участок;
- фермент (ДНК-полимераза), синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удаленного;
- фермент (ДНК-лигаза), замыкающий последнюю связь в полимерной
цепи и тем самым восстанавливающий ее непрерывность.
Процессы репарации открыты сравнительно недавно, в середине XX
века.
В наши дни исследования в этой области проводятся очень активно,
поскольку появление мутаций, наследственных болезней, раковых опухолей, старение зависят от способности клеток устранять повреждения
ДНК.
Под влиянием факторов окружающей среды, а также в результате
обычных метаболических процессов, протекающих в клетке, ежедневно
происходит от 1 000 до 1 000 000 повреждений ДНК в каждой клетке. Но,
благодаря системе репарации из 1000 повреждений ДНК лишь одно приводит к мутации.
К внешним факторам, вызывающим повреждения ДНК, относят УФ
излучение, радиация, химические вещества. Их эффект в основном сводится к появлению свободных радикалов, перекисей и изменению
структур АО1.
В обычной жизни наибольшая опасность связана с химическими веществами, поскольку в народном хозяйстве, производстве, быту в практику
ежегодно внедряется около тысячи новых химических соединений.
Это касается и производства пищевых продуктов.
Такая высокая нагрузка химических реагентов на организм человека
может привести к сбою в системах репарации. Например, полагают, что от
80 до 90% всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации
ДНК.
_______
1
– Некоторые из этих факторов человек использует себе на благо. Например, УФ обработка
или использование хлорирующих агентов проводятся на том основании, что эти факторы повреждают ДНК бактериальных клеток, приводят к их гибели, а обрабатываемые помещения или посуда обеззараживаются.
186
Широкую известность в 60-е годы получил факт рождения в Германии
большого количества детей с патологиями конечностей (отсутствовали
длинные кости конечностей, а кисти или ступни начинались от основания
тела). Выяснение причин показало, что в период беременности женщины
принимали снотворное, содержащее талидомид, имеющий сродство к гуанину. Промотор1 гена, отвечающего за рост и развитие длинных конечностей, содержит большое количество гуанина, таким образом, талидомид
нарушает работу этих генов, и зачатки костей длинных конечностей так и
не начинают развиваться.
В настоящее время уровень тяжелых врожденных уродств составляет
1–2%, из них около трети по генетическим причинам, около трети – из-за
воздействий среды, и для трети причина неизвестна.
Эти факты приведены для того, чтобы специалисты, выпускающие
пищевые продукты крайне ответственно подходили к использованию любых пищевых добавок с целью предотвращения опасных отдаленных последствий для организма человека.
13.1.2 Биосинтез РНК – транскрипция
Биосинтез РНК называют транскрипция2 –
переписывания наследственной информации из ДНК.
это
процесс
Протекает в ядрышковой зоне ядра независимо от цикла клетки.
Субстраты для синтеза – АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ.
Источники энергии – эти же нуклеотиды.
Ферменты транскрипции – РНК-полимеразы. По механизму действия
схожи с ДНК-полимеразами: наращивают полинуклеотидную цепь по правилу комплементарности в направлении от 3/- к 5/-концу со скоростью 40–
50 нуклеотидов в секунду. В отличие от ДНК-полимераз, самостоятельно
расплетают двойную нить ДНК в строго определенном месте, а не по всей
длине, не нуждаются в праймере, самостоятельно контролируют правильность присоединения нуклеотидов и избирательно действуют с зоной промотора.
Цикл транскрипции включает инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация заключается в том, что РНК-полимераза начинает работу,
если обнаруживает на ДНК «старт-сигнал» – специальная последовательность нуклеотидов.
Элонгация – удлинение растущего РНК-полинуклеотида. При этом,
двигаясь в направлении расплетания, РНК-полимераза соединяет один нуклеотид за другим, комплементарно нуклеотидам на смысловой нити ДНК.
_______
1
– Нуклеотидная последовательность, отвечающая за связывание РНК-полимеразы и начало
синтеза РНК.
2
– От англ. (transcribe) – переписывать.
187
Терминация транскрипции – завершение синтеза РНК. Наступает, когда в области действия РНК-полимеразы оказываются терминаторы транскрипции – особые нуклеотидные последовательности в конце транскрипционных единиц ДНК. Некоторым РНК-полимеразам также требуются дополнительные белковые факторы. В настоящий момент вопрос о природе
сигналов терминации остается открытым.
Рис. 13.3. Схема биосинтеза РНК
В результате транскрипции у синтезированной нити РНК (рис. 13.3)
нуклеотидный состав будет полностью компелементарен ДНК, поэтому
«свежие» РНК называют ДНК-подобными.
Та часть, которая копируется при биосинтезе РНК, называется транскриптон. Он содержит информативную (экзон) и неинформативную
(интрон) зоны.
Неинформативные зоны содержат регуляторные последовательности, с
которыми взаимодействуют различные белковые факторы, ускоряющие или
замедляющие транскрипцию.
188
Соотношение экзонов и интронов у прокариот составляет 9:1, а у эукариот 1:9. Другими словами, в новосинтезированных прокариотических РНК
90% содержания информативно, в эукариотических – только 10%.
Поэтому синтезированные РНК прокариот сразу задействуются в работе клетки, например, могут поступать на рибосому для синтеза белка, образуя транскрипционно-трансляционный комплекс.
Новосинтезированные РНК эукариот сначала подвергаются созреванию.
13.2 Биосинтез белка – трансляция. Генетический код
В основе современных представлений о механизме биосинтеза белковых тел лежит матричная схема биосинтеза белков.
Биосинтез белка называют трансляция (от англ. translate – переводить).
Термин появился потому, что процесс синтеза белка – это перевод генетической информации с 4-буквенного языка нуклеотидов на 20буквенный язык аминокислот.
Перенос аминокислот из цитоплазмы на рибосому осуществляется в
соответствии с программой генетического кода.
Генетический код – взаимное соответствие между последовательностью нуклеотидов в ДНК и последовательностью аминокислот в белке.
Самый простой вариант – 1 нуклеотид соответствует 1 аминокислоте
невозможен, поскольку нуклеотидов 4, а аминокислот 20. Двух нуклеотидов
для кодирования 1 аминокислоты также недостаточно, так как при этом
возможно только 16 (42=16) сочетаний, а аминокислот 20. Лишь 3 нуклеотида дают больше комбинаций – 64 (43=64). Действительно, каждую аминокислоту кодирует группа из трех нуклеотидов – кодон (триплет).
В таком случае возникает вопрос: все ли 64 сочетания используются
для кодирования аминокислот?
Ответ на этот вопрос дали американские биохимики М.У. Ниренберг,
Р.В. Холли и Х.Г. Корана. В 1968 году они получили Нобелевскую премию
по физиологии и медицине «За расшифровку генетического кода и его
функции в синтезе белков.
Один из кодонов на иРНК – АУГ одновременно служит «стартсигналом» и кодирует аминокислоту Мет. Поэтому молекулы всех белков
начинаются с Мет, который после завершения синтеза вырезается.
Три кодона (УАА, УГА или УАГ) не кодируют ни одну из 20 протеиногенных аминокислот и являются «стоп-сигналами».
189
Сравнительно недавно обнаружено исключение. Для кодирования селеноцистеина используется стоп-кодон УГА, который сигнализирует
об окончании синтеза белковой молекулы.
Однако если за кодирующим участком гена следует особая последовательность нуклеотидов, которая называется SECIS (selenocysteine insertion
sequence), аппарат синтеза белка интерпретирует кодон УГА как кодирующий селеноцистеин.
В таком случае остается 60 сочетаний нуклеотидов для кодирования 20
аминокислот.
Действительно большинство аминокислот кодируется не 1 нуклеотидом, а несколькими.
В современном представлении генетический код имеет ряд особенностей (табл. 13.3).
Таблица 13.3 – Особенности генетического кода
Триплетность
Непрерывность
Триплеты в мРНК (кодоны) комплементарно спариваются с
триплетами тРНК (антикодоны).
Существенное значение имеют первые два из 3-х нуклеотидов в кодоне, то есть код белкового синтеза по существу является квазидуплетным (от лат. quasi — якобы, как будто),
то есть условнодуплетным, мнимодуплетным или псевдодуплетным
Последовательность нуклеотидов считывается непрерывно,
так как между кодонами нет сигналов, указывающих на конец
одного кодона и начало другого
Универсальность
Кодоны обозначают одинаковые аминокислоты у всех организмов: вирусов, бактерий, растений, животных
Однозначность
Каждый кодон кодирует одну аминокислоту, то есть в
направлении кодон→аминокислота генетический код однозначен
Вырожденность
Обратное направление аминокислота→кодон неоднозначно,
то есть 1 аминокислоте может соответствовать более 1 кодона
Ни один из нуклеотидов одного кодона не является составной
частью другого (соседнего) нуклеотида.
Исключение обнаружено в ДНК вирусов. Их ДНК содержат
перекрывающиеся гены. Это дает возможность кодировать
больше белков, чем позволяет общее число нуклеотидов. Таким образом, вирусы нашли возможность хранить максимум
информации в небольшом объеме
Неперекрываемость
Для биосинтеза белка необходим набор определенных компонентов:
- малая и большая субъединицы рибосом, которые стабилизируются
при определенной концентрации ионов Mg2+;
190
- информационная (матричная) РНК;
- инициаторная тРНК (метионил-тРНК);
- инициирующий кодон – АУГ;
- терминирующие кодоны УАА, УГА или УАГ;
- источник энергии – ГТФ;
- факторы инициации, элонгации и терминации2.
Процесс биосинтеза белка условно делят на три этапа: инициацию,
элонгацию и терминацию (табл. 13.4).
Таблица 13.4 – Этапы трансляции
Этап
Характеристика
Инициация –
начало белкового
синтеза
Последовательно происходит:
- закрепление мРНК на малой субъединице рибосомы благодаря
последовательности Шайна-Дальгарно;
- присоединение инициаторной тРНК к инициирующему кодону
АУГ;
- присоединение большой субъединицы рибосомы – образование
транслирующей (активной) рибосомы
Элонгация –
удлинение полипептидной цепи
Включает три стадии:
- узнавание кодона и связывание с тРНК;
- транспептидирование – образование пептидной связи;
- транслокация – перемещение рибосомы на один триплет в сторону 3/-конца относительно мРНК
Терминация – завершение синтеза
белка
Как только в рибосоме оказывается один из терминирующих
кодонов (УАА, УГА или УАГ), активируются гидролазы большой субъединицы.
В результате:
- синтезированная полипептидная цепь отщепляется от конечной
тРНК;
- свободная тРНК покидает рибосому;
- малая и большая субъединицы рибосомы диссоциируют
Зрительно инициацию трансляции можно представить, как показано
на рис. 13.4.
Активная рибосома готова к сборке полипептидной цепи.
В ее аминоацильный сайт (центр) может присоединяться тРНК, антикодон которой соответствует следующему за АУГ кодону (триплету).
На рис. 13.5 за инициирующим кодоном АУГ произвольно показан
триплет УУУ и соответствующая ему тРНК, кодирующая аминокислоту
Фен.
191
Рис. 13.4. Инициация белкового синтеза:
1 – закрепление мРНК на малой субъединице рибосомы благодаря последовательности
Шайна–Дальгарно; 2 – присоединение инициаторной тРНК к инициирующему кодону
АУГ; 3 – образование транслирующей (активной) рибосомы
192
Рис. 13.5. Стадия элонгации:
1 – узнавание кодона и связывание с тРНК; 2 – транспептидирование – образование пептидной связи; 3 – транслокация – перемещение рибосомы на один триплет в сторону 3/конца относительно мРНК
193
Сборка полипептидной цепи продолжается до тех пор пока в аминоацильном центре не окажется один из терминирующих кодонов. Как только это происходит, все компоненты (иРНК, тРНК, полипептидная цепь, малая и большая
субъединицы рибосомы) освобождаются друг от друга (рис. 13.6).
Рис. 13.6. Терминация синтеза белка:
гидролиз синтезированной полипептидной цепи от конечной тРНК; свободная тРНК
покидает рибосому; малая и большая субъединицы рибосомы диссоциируют.
В действительности с одной молекулой иРНК соединяется несколько
рибосом – полисома (рис. 13.7). Существуют полисомы, содержащие 60–
100 рибосом. Рибосомы располагаются через 25–30 триплетов иРНК. Образование полисом значительно увеличивает эффективность биосинтеза белка
за счет того, что каждая рибосома может синтезировать полную полипептидную цепь. В результате на одной иРНК одновременно синтезируется несколько полипептидных цепей.
Рис. 13.7. Полисома
194
13.2.1 Транспорт синтезированных белков через мембраны
Рибосомы располагаются на мембранах ЭПС, которая пронизывает цитоплазму всей клетки. Синтезированные белки поступают в пространство ЭПС и
направляются к месту, где они необходимы. При этом в клетке синтезируются
белки, как для своих нужд, так и экспортируемые (секретируемые) белки, которые функционируют вне клетки. Такие белки переносятся через клеточную
мембрану при помощи низкомолекулярных (15–30 аминокислот) лидирующих (сигнальных) пептидов. Сигнальные пептиды синтезируются в начале
полипептидной цепи по программе сигнальных кодонов, расположенных сразу за инициирующим кодоном. Преимущественно содержат гидрофобные радикалы, поэтому легко встраиваются или проникают сквозь двойной липидный слой. Сигнальный пептид формирует своеобразный канал в мембране
ЭПС, через который протягивается синтезируемая молекула секреторного
белка. N-концевая сигнальная последовательность вырезается сигнальной
(лидирующей) пептидазой в процессе или после транспорта белка.
13.2.2 Постсинтетическая
(посттрансляционая) модификация белков
Окончательное формирование структур белковых молекул после биосинтеза полипептидной цепи называют постсинтетическая (посттрансляционая) модификация белков. При этом происходят изменения различного характера (табл. 13.5).
Таблица 13.5 – Преобразование полипептидных цепей после синтеза на рибосоме
Структурные изменения
полипептидной цепи
- удаление N-концевого Мет (во многих
белках);
- отщепление сигнального пептида;
- гидролиз в одном или нескольких местах (характерно для белков четвертичной структуры, которые синтезируются в
виде одной полипептидной цепи, а формирование олигомера происходит после
протеолиза до отдельных субъединиц)
Химические изменения в полипептидной цепи
- гидроксилирование Про;
- метилирование Лиз, Глу;
- ацетилирование ряда N-концевых аминокислот;
- карбоксилирование Глу, Асп (протромбин);
- фосфорилирование ОН-групп Сер и Тре (казеин,
гликогенфосфорилаза, гликогенсинтаза);
- окисление Цис (-S-S-);
- ковалентное присоединение простетической группы
к белку (пиридоксальфосфат к ε-NН2-группам Лиз)
Вопросы для самоконтроля:
1. Какими ферментами осуществляется синтез ДНК и РНК?
2. Каков механизм образования межнуклеотидной связи?
3. Репликация ДНК. Чем отличается синтез дочерних цепей на ведущей и ведомой материнских
нитях?
4. Что такое репарация повреждений ДНК?
5. Чем отличается транскрипция у прокариот и у эукариот?
6. Как осуществляется биосинтез белка?
7. Какие этапы выделяют в биосинтезе белка?
8. Опишите особенности генетического кода.
9. Транспорт синтезированных белков через мембраны.
10. Что такое постсинтетическая (посттрансляционая) модификация белков?
195
ГЛАВА 14. МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН
Содержание минеральных веществ и их роль в организме характеризуют понятием минерального обмена.
Минеральный обмен – это совокупность процессов всасывания, распределения, усвоения и выделения минеральных веществ, находящихся в
организме преимущественно в виде неорганических соединений.
14.1 Превращения минеральных веществ в пищевом канале
Поступление минеральных веществ из продуктов, напитков и воды в
организм человека зависит от формы, в которой находятся минералы. Если
минеральные вещества находятся в свободном состоянии, то усваиваются
организмом без предварительной обработки.
Минеральные вещества, находящиеся в связанном состоянии, могут
усвоиться только после ферментативной обработки пищи. Например, железо и магний из хромопротеинов усваиваются в виде ионов Fe+2 и Mg+2, но
этому предшествует отделение белковой части хромопротеинов от небелковой и последующее высвобождение катиона металла из порфинового цикла.
Всасывание минеральных веществ происходит по ходу всего пищеварительного канала. Некоторое количество минеральных веществ всасывается в желудке, основная масса – слизистой оболочкой тонкого кишечника,
частично – толстого кишечника.
Всасывание минеральных компонентов осуществляется путем пассивного транспорта. Это значит, что минеральные соединения движутся через мембрану в цитоплазму клеток слизистой оболочки пищевого канала из
области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации, то есть
по градиенту концентрации данного вещества. При этом клетка не затрачивает энергии. Иначе такой транспорт называют диффузией. Различают два
типа диффузии: простую и облегченную.
Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул
(H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических
веществ. Эти молекулы проходят через поры или каналы мембраны до тех
пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.
Облегченная диффузия свойственна гидрофильным молекулам, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с
помощью специальных мембранных белков – переносчиков. Для облегченной диффузии характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка.
Некоторая часть минеральных веществ всасывается путем пиноцитоза
(от греч. pino – пью, впитываю и cito – вместилище, здесь клетка) – захват
клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами.
196
Скорость всасывания разных ионов различна. Из анионов быстрее других всасываются хлориды, медленнее иодид- и бромид-ионы, еще медленнее – нитрат- и сульфат-ионы.
Конечные продукты обмена минеральных веществ выделяются через
кожу, почки или кишечник. Легкие почти не участвуют в выведении этих
продуктов из организма.
Через почки с мочой выделяются Na, К, Со, Са, Mg, Bi, Li, Sb, Cl, В, Br,
I, F, S и некоторые другие элементы.
Через кишечник выделяются Fe, Ca, Cu, Sr, Al, Mn, Be, Zn, Мо и вообще тяжелые металлы в виде различных солей.
14.2 Промежуточный обмен минеральных веществ
Всосавшиеся минеральные вещества поступают в кровь (частично в
лимфу), направляются в печень, после чего разносятся по всему организму,
где используются его тканями и клетками. Часть минеральных веществ депонируется в печени и других органах.
Концентрирование элементов в организме обусловлено генетически и
существенно отличается (табл. 14.1) в разных органах и тканях.
Таблица 14.1 – Содержание минеральных веществ в различных органах и
тканях
Орган или ткань
Мышцы
Сердце
Легкие
Мозг
Печень
Эритроциты
Почки
Сыворотка крови
Костная ткань
Зубная эмаль
Концентрация макроэлементов, мг% на сырой вес
Са
Р
Mg
К
Na
7
220
23
360
72
10
270
17
250
185
17
120
7
150
250
12
380
16
330
170
12
210
22
215
190
–
60
5
460
80
20
140
21
175
175
10
15
2
20
335
11000
5050
105
61
180
36000
17000
400
50
250
Cl
66
135
260
150
160
190
220
370
190
300
Как видно из таблицы, больше всего минеральных веществ содержится
в костной ткани – от 48 до 74% общей массы. Это преимущественно Са и
Mg в виде фосфатов, карбонатов и апатитов. В костях скелета концентрируются и микроэлементы, такие как фтор, титан, алюминий, олово и др.
Существенным количеством макроэлементов отличается хрящевая ткань. В
ней содержится от 2 до 10% этих веществ.
Железо концентрируется в печени и костном мозге – тканях активного
образования эритроцитов, а также в селезенке – месте распада эритроцитов.
Цинк и марганец локализуются главным образом в поджелудочной железе.
Основное депо йода – щитовидная железа. Калий и натрий в значительных
количествах содержатся в коже, подкожной клетчатке, мышечной ткани,
197
плазме крови, лимфе и ликворе, кобальт – в селезенке эмбрионов, молибден – в белом веществе мозга, хром – в гипофизе и т. д.
Минеральные вещества по-разному проявляют свое действие в функционировании отдельной клетки и целого организма (табл. 14.2).
Таблица 14.2 – Участие минеральных элементов в обмене веществ
Функция
Пример
Структурообразующая
- поддержание третичной и четвертичной структур высокомолекулярных соединений: белков, нуклеиновых кислот;
- образование надмолекулярных структур, например, ассоциация малой и большой субъединиц рибосомы или формирование нуклеопротеинов
Каталитическая
- стабилизация активных центров ферментов, молекул субстрата, образование фермент-субстратных комплексов;
связь металлов при этом очень непрочная и кратковременная, проявляется лишь непосредственно в акте ферментативного катализа;
- минералы входят в состав небелковой части ферментов,
например Fe/S белки, цитохромы
Регуляторная
- проявляется в различных органах и тканях, влияя на ритм
сердечной деятельности, скорость выведения воды почками, уровень свертываемости крови, темп роста костной системы и т.д.
Наиболее изучены структурообразующие функции минеральных веществ в формировании как отдельных биомолекул, так и целых органов и
тканей. Весьма значительна роль минералов в ферментативном катализе. По
современным представлениям действие четвертой части всех ферментов
тем или иным образом связано с металлами. Регуляторные функции минеральных веществ прослеживаются на всех уровнях: оперонном, клеточном,
метаболитном и организменном. При этом роль отдельных минеральных
элементов весьма специфична.
В количественном отношении содержание минеральных веществ в пищевых продуктах невелико, поэтому их относят к микронутриентам пищи.
Однако значение минеральных элементов для живого организма трудно переоценить. Все биогенные элементы, поступающие с продуктами, напитками и водой, задерживаются в организме человека в виде специфических соединений и выполняют множество разнообразных функций.
В соответствии с принятой в настоящее время классификацией, минеральные вещества с установленным механизмом действия по количественному содержанию в организме делят на макроэлементы (Са, Р, Mg, K, Na,
Cl) и микроэлементы (Fe, Zn, I, Cu, Mn, Se, Cr, Mo, Co, F).
198
14.2.1 Обмен макроэлементов
Кальций. В организме взрослого человека содержится в среднем 1,01,5 кг кальция. В настоящее время выделяют две основные функции кальция в организме человека. Первая – это структурная, поскольку кальций является важнейшим компонентом костной ткани и ткани зуба. Здесь сосредоточено 99% общей массы кальция.
В остальных тканях и жидкостях организма содержится лишь 1% от
общей массы кальция. Именно этот кальций выполняет вторую, но не менее
значимую функцию – регуляторную. Роль ионов Ca2+ как одного из универсальных внутриклеточных посредников доказана во множестве биохимических процессов в клетке – росте, делении, возбудимости, сокращении, секреции и многих других. Кроме этого, ионы кальция служат важнейшими
посредниками во внутриклеточной передаче сигналов.
Особенность кальциевого обмена заключается в том, что при недостаточном поступлении кальция с пищей он практически в прежних количествах продолжает выделяться из организма за счет его запасов, а постоянный уровень в крови поддерживается тремя гормонами: паратгормоном,
кальцитриолом и кальцитонином. Если отрицательный баланс кальция сохраняется долго, могут возникнуть явления кальциевой недостаточности. У
взрослых в тканях существует некоторый физиологический избыток кальция и фосфора, который играет роль резерва при кальций-фосфорной недостаточности. У детей такого резерва нет, и содержание этих минеральных
веществ в крови целиком зависит от их содержания в пище и всасывания в
кишечнике. Именно этим объясняется, что развитие «кальциевой недостаточности» не достигает у взрослых таких размеров, как у детей.
Фосфор входит в состав всех тканей организма. Примерно 50% общего
фосфора находится в костях, особенно много фосфора в мышцах и мозге,
около 20% – во внеклеточной жидкости.
При голодании организм расходует фосфор, содержащийся в тканях,
поэтому концентрация его в крови не меняется.
Регуляция обмена фосфора аналогична обмену кальция с тем различием, что паратгормон, повышающий содержание кальция в плазме крови,
снижает содержание фосфатов, увеличивая их экскрецию почками. Функции фосфора можно разделить на два вида: структурные и обменные.
Структурные функции проявляются как на уровне всего организма, так
и на уровне отдельной клетки. Например, фосфор в виде фосфата кальция
(фосфорнокислого кальция) является компонентом костной ткани. На
уровне биомолекул фосфор в сочетании с рибозой и дезоксирибозой образует сахаро-фосфатный скелет НК.
Обменные функции фосфора очень многообразны: поддержание кислотно-основного равновесия организма; участие в энергообеспечении биохимических процессов; посредничество в гормональной регуляции и др.
199
Коррекция кислотно-основного состояния в организме человека осуществляется благодаря четырем буферным системам: гемоглобиновой, белковой, бикарбонатной и фосфатной.
Компонентами фосфатной буферной системы являются дигидрофосфат
и гидрофосфат натрия в соотношении 1/4:
NaH2PO4/ Na2HPO4.
Фосфор – один из тех элементов, которые участвуют в формировании
макроэргических связей, поэтому он необходим для активации метаболитов
различных обменных процессов.
Магний. Общее содержание магния в организме человека составляет
примерно 20 г. Около 50% находится в костях, 49% – в мягких тканях,
мышцах и лишь 1% – во внеклеточной жидкости.
Ион Mg2+ является кофактором многих ферментов, участвует в синтезе
нуклеиновых кислот, обладает стабилизирующим действием для мембран,
необходим для поддержания гомеостаза кальция, калия и натрия.
Роль магния очень значительна в синтезе белков. Катион Mg2+ участвует в стабилизации транслирующей рибосомы.
Малая и большая субъединицы объединяются в активную рибосому
при концентрации магния, близкой к 0,001 М. Повышение содержания Mg2+
до 0,01 М приводит к образованию димеров или агрегатов рибосом, а понижение до 0,0001 – к диссоциации рибосом на субчастицы.
Калий называют внутриклеточным катионом, так как 98% общего содержания калия в организме находится внутри клеток. Главные депо калия – мышцы, печень, почки, кожа и нервная система.
Регулируется обмен калия при участии альдостерона.
Функции калия характеризуются как регуляторные. Ион калия участвует в процессах регуляции давления и проведения нервных импульсов.
Калий принимает участие в регуляции водного, кислотного и электролитного баланса.
Ионы калия являются компонентами бикарбонатной (Н2СО3/КНСО3),
гемоглобиновой (ННb/КНb) и оксигемоглобиновой (ННbО2/КНbО2) буферных систем крови. Эти системы работают сопряженно.
Приведенные примеры показывают, что калий необходим для регуляции обмена веществ, как на клеточном, так и на организменном уровнях.
Натрий – основной внеклеточный катион. До 55% натрия находится в
костной ткани, 43% – во внеклеточной жидкости и около 2% – в клетках.
Натрий участвует в поддержании водно-солевого равновесия. Как известно, оно регулируется специальными рефлекторными системами. Одна
из них реагирует на изменение объема жидкости – волюморегуляция, другая – на изменение концентрации – осморегуляция.
Осморегуляция контролируется гормоном вазопрессином, который
иначе называют антидиуретический (АДГ) из-за уменьшения диуреза. Из200
менение осмолярности всего на 1% приводит к заметным изменениям секреции АДГ [1].
Волюморецепторы гипоталамуса реагируют на повышение объема
жидкости и снижение ионов Na+ и через гипофиз (АКТГ) активируют секрецию альдостерона в корковом слое надпочечников. Альдостерон, в свою
очередь, способствует активации натриевого насоса и задержке в организме
ионов натрия.
Ионы натрия необходимы для всасывания глюкозы в эпителиальных
клетках кишечника и почек. Здесь глюкоза переносится против концентрационного градиента за счет того, что одновременно с глюкозой из просвета
кишечника и первичной мочи переносятся ионы Na+.
Ионы натрия – компоненты ряда буферных систем плазмы крови человека: гидрокарбонатной (Н2СО3/NaНСО3), фосфатной (NaН2РО4/Na2НРО4) и
белковой (белок-СООН/белок-СООNa). Натрий обменивается на ионы водорода и, таким образом регулирует кислотно-основное состояние.
Хлор концентрируется во внеклеточной жидкости, здесь находится до
65% всего хлора. Около 17% хлора связано с соединительной тканью и
хрящами. Примерно 12% хлора находится внутри клеток.
Обмен хлора тесно связан с обменом натрия, но пути обмена хлора и
натрия не одинаковы. В почечных канальцах они могут выделяться и реабсорбироваться независимо друг от друга. Регулируется обмен хлора, также
как и обмен натрия, альдостероном. Под влиянием этого гормона ионы хлора задерживаются в организме.
Хлорид ионы необходимы для удаления углекислого газа из организма.
Как известно, гемоглобин, находящийся в эритроцитах, транспортирует
кислород из легких к тканям, а из тканей в легкие переносит углекислый газ
и ионы водорода.
Однако с помощью гемоглобина удаляется лишь 10% углекислого газа.
Большая часть, примерно 90%, СО2 выделяется при участии бикарбонатной
буферной системы. Из тканей СО2 в форме НСО3– транспортируется в
эритроцит в обмен на Сl–. Так обеспечивается удаление СО2 из организма и
сохранение оптимального значения рН в клетке.
Хлор также необходим для образования и секреции соляной кислоты в
организме.
14.2.2 Обмен микроэлементов
Железо в организме взрослого человека содержится 3–4 г железа. В
тканях железо используется для синтеза гемовых и негемовых железосодержащих белков или депонируется в ферритине, с помощью которого резервируется примерно 27% всего железа в организме [4].
Содержание железа в клетках и его использование для синтеза железосодержащих белков регулируется на оперонном уровне при трансляции
ферритина и трансферритина.
201
Источниками железа при биосинтезе железосодержащих белков служат
железо пищи и железо, освобождающееся при постоянном распаде эритроцитов в клетках печени и селезенки.
Основное физиологическое значение железа – участие в процессе кроветворения. Недостаток его может привести к развитию анемии – малокровия. При этом снижается содержание гемоглобина и миоглобина. При возникновении железодефицитной анемии диета, обогащенная богатыми железом продуктами, ликвидировать анемию не может и необходим прием лечебных препаратов железа.
Кроме кроветворной функции железо играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах в составе гемовых и негемовых белков. Гемопротеинами являются каталаза, пероксидаза и цитохромы. В негемовых железосодержащих белках железо напрямую связывается с белком.
К таким белкам относят трансферрин, ферритин, окислительные ферменты
рибонуклеотидредуктазу, ксантиноксидазу и др. На долю всех содержащих
железо ферментов приходится всего 0,6% железа, имеющегося в организме
[1].
Таким образом, роль железа проявляется в участии в окислительновосстановительных реакциях на метаболитном и клеточном уровнях и в реализации процессов кроветворения на уровне организма в целом.
Цинк наиболее доступнен из продуктов животного происхождения. В
растительных продуктах содержится фитин (гексафосфорный эфир инозита), который связывает цинк, что снижает его всасывание в кишечнике.
С наличием цинка в организме связаны процессы клеточного дыхания,
роста и развития, обмен белков, нуклеиновых кислот, липидов и углеводов,
плодовитость, иммунитет, гемопоэз, энергетический обмен [8]. Цинк является составной частью большой группы ферментов – металлоэнзимов: дегидрогеназ, пептидаз, фосфатаз и пр. или влияет на активность многих ферментов. В частности, усиливает каталитическое действие аргиназы, енолазы, лецитиназы, аминопептидаз и др.
Участие цинка в регуляции обмена веществ на уровне организма проявляется в активировании ряда гормонов, таких как адреналин, инсулин, тестостерон, фолликулин, пролан, антидиуретический и гонадотропный гормоны [1]. Приведенные примеры свидетельствуют, что биологическая роль
цинка проявляется в различных функциях: структурной, регуляторной, каталитической.
Иод. Всего в организме взрослого человека содержится около 25 мг
иода. Наибольшей концентрацией обладает щитовидная железа. Здесь сосредоточено примерно 10 мг иода. В крови поддерживается стабильная
концентрация иода 10–5–10–6%.
Иод участвует в образовании гормонов (тироксина и трииодтиронина),
необходимых для роста и дифференцировки клеток всех тканей организма
человека, митохондриального дыхания, регуляции трансмембранного
202
транспорта натрия и гормонов. Недостаточное поступление приводит к эндемическому зобу с гипотиреозом и замедлению обмена веществ, артериальной гипотензии, отставанию в росте и умственном развитии у детей.
Медь. Общее количество меди в организме человека составляет примерно 100–150 мг. Интенсивность всасывания зависит от вида продуктов.
Соли меди с аминокислотами и жирными кислотами всасываются лучше,
чем соли минеральных кислот. Транспортируется медь белками крови, в
основном альбуминами. Депонируется в печени, оттуда поступает в другие
органы и ткани.
Избыток меди выделяется с желчью через кишечник, а также почками,
кожей, слизистыми оболочками дыхательного аппарата [8].
Преимущественное большинство общего количества меди сыворотки
крови – до 98% находится в составе церулоплазмина – медьсодержащего
гликопротеина [4]. Церулоплазмин, известный иначе как ферроксидаза,
окисляет поступающее в кровь железо из Fe2+ в Fe3+.
Таким образом, медь в составе церулоплазмина участвует в кроветворении и необходима для процессов образования гемоглобина и не подлежит
замене другими элементами. Именно участием меди в процессах кроветворения объясняется резкое повышение ее уровня в организме при беременности.
Доказано участие Сu в ряде других окислительно-восстановительных
процессов. Например, церулоплазмин обладает слабой каталитической активностью, окисляя полиамины, полифенолы и аскорбиновую кислоту. Катион Сu2+ есть в составе окислительно-восстановительного фермента цитохромоксидазы, которая непосредственно активирует кислород. Медь обнаружена в составе некоторых аминооксидаз. Снижение активности этих
ферментов в тканях может приводить к дефектам эластина, соединительной
ткани сосудов и синтеза скелетного коллагена.
Марганец. Содержание марганца в организме составляет около 20 мг.
Он необходим для ферментативного катализа и в роли активатора и в составе небелковой части.
Как активатор усиливает действие глюкокиназы, гексокиназы, фосфатазы, аденилилциклазы, глутаминсинтетазы, катехол-О-метилтрансферазы,
РНК-полимеразы и др. Эти ферменты включаются в метаболизм аминокислот, углеводов, катехоламинов.
Марганец является составной частью некоторых металлоэнзимов, таких как аргиназа, глутамилтрансфераза, дипептидазы, изоцитратдегидрогеназа, декарбоксилаза и др. Входит в состав митохондриальной супероксиддисмутазы, пируваткарбоксилазы, аргиназы. Необходим для синтеза холестерина и нуклеотидов. Участвует в синтезе гликопротеинов, протеогликанов, ганглиозидов, тем самым способствует образованию костной и соединительной ткани.
203
Регуляторное действие марганца проявляется на уровне гормонов
передней доли гипофиза, андрогенов и инсулина. Поэтому недостаточное
потребление сопровождается замедлением роста, нарушениями в репродуктивной системе, повышенной хрупкостью костной ткани, нарушениями углеводного и липидного обмена. В целом Mn усиливает процессы
роста, кроветворения, биосинтез нуклеиновых кислот, белков, холестерина, антител.
Селен. В организме содержится в среднем 3,5·10–6–3,5·10–5% селена по
отношению к общей массе. Основной путь поступления селена в организм –
алиментарный: 90% селена человек получает с пищей и 10% – с водой.
Наибольшим усвоением отличается селен органических соединений, который превращается в организме в биологически активную форму. Поэтому с
белками продуктов селен всасывается легче, чем с неорганическими соединениями.
В крови селен находится в виде свободных ионов и в составе соединений с белками, пептидами и аминокислотами. Биохимические функции селена определяют селенсодержащие белки. Известно более 10 селенсодержащих белков с атомом селена в активном центре, которые участвует в дезактивации тяжёлых металлов, метаболизмегормонов щитовидной железы, в
окислительно-востановительных реакциях.
При дефиците селена уровень селенсодержащих белков снижен, однако включение микроэлемента осуществляется в первую очередь в наиболее
важные белки и ткани – репродуктивные и эндокринные органы, мозг.
Селен и сера могут заменять друг друга в определенных структурах и
реакциях. Однако селен не может быть заменен соединениями серы с точки
зрения своей роли в питании.
Хром. В организме человека содержится от 6 до 12 мг хрома. Биоусвояемость хрома из неорганических соединений в желудочно-кишечном канале всего 0,5–1,0%, однако она возрастает до 20–25%, по некоторым данным
до 40%, при поступлении хрома в виде комплексных соединений (пиколинаты, аспарагинаты). Шестивалентный хром усваивается в 3–5 раз лучше,
чем трехвалентный. Однако только трехвалентный хром проявляет биологическую активность и присутствует в продуктах питания. В тканях окисления трехвалентного хрома в шестивалентный не происходит.
Биологическая роль хрома связана с усилением действия инсулина.
Ион Cr3+ в составе низкомолекулярного комплекса облегчает взаимодействие инсулина с клеточными рецепторами. В результате потребность организма в инсулине уменьшается.
Дефицит хрома в организме, помимо повышения уровня глюкозы в
крови, приводит к увеличению концентрации холестерина в крови, бляшек
в стенках аорты и в конечном итоге к атеросклерозу.
Причиной истощения запасов хрома в организме может быть не только
уменьшение содержания этого микроэлемента в пище, но и нарушение ба204
ланса основных макронутриентов и калорийности рациона. Например, значительные количества сахара, потребляемые человеком, увеличивают потребность в хроме.
Молибден. В организме взрослого человека содержится всего около 9
мг молибдена. Молибден хорошо всасывается как из продуктов питания,
так и из большинства своих неорганических соединений.
Активной биологической формой элемента является молибденовый
кофермент, который входит в состав ферментов альдегидоксидазы, ксантиноксидазы и сульфитоксидазы.
Со способностью альдегидоксидазы катализировать окисление в организме канцерогенных ксенобиотиков связывают предполагаемую антираковую активность молибдена.
Ксантиноксидаза катализирует завершающую стадию обмена пуринов
в организме человека и животных – образование мочевой кислоты.
Сульфитоксидаза участвует в метаболизме серосодержащих аминокислот – цистеина и метионина и превращает сульфит в сульфат.
Избыток молибдена вызывает повышенную активность ксантинокидазы, интенсификацию пуринового обмена и увеличение уровня мочевой кислоты с выделением которой не справляются почки. В результате этого мочевая кислота и ее соли откладываются в сухожилиях и суставах, что приводит к возникновению подагры [8].
Кобальт. В организме около 1 г кобальта. Кобальт занимает особое
место среди микроэлементов, поскольку физиологически активен в организме человека только в форме витамина В12.
Дефицита свободного кобальта не бывает и он не заменяет готовый витамин В12. Проблема кобальта в питании человека – это прежде всего вопрос источников и снабжения витамином В12 и всасывания этого витамина,
а не самого кобальта. Любой обычный рацион содержит гораздо больше
кобальта, чем доля этого элемента в виде витамина В12, и никакого обязательного соответствия между содержанием в рационе кобальта и витамина
В12 не существует. Дефицит витамина В12 может быть не связан с нехваткой
кобальта в продуктах, а обусловлен другими причинами. К ним относят серьезные нарушения питания (строгое вегетарианство), заболевания системы
пищеварения (нарушение синтеза белков, связывающих и транспортирующих витамин В12), введение в организм веществ (например, антибиотиков),
блокирующих развитие нормальной микрофлоры толстой кишки.
Фтор. В состав зубов входит до 0,02% фтора. Почти 99% фтора находится в твердых тканях (цемент зуба, кость, дентин, эмаль).
Как правило, с пищевыми продуктами в организм человека поступает в
4–6 раз меньше фтора, чем с питьевой водой. Исключение составляет рацион с большим количеством продуктов моря, содержащих фтор.
Оптимальные количества фтора в рационе человека обладают противокариозным действием. Механизм противокариозного действия фтора состо205
ит в том, что при взаимодействии его с минеральными компонентами костной ткани и зубов образуются труднорастворимые соединения.
Вместе с гидроксилапатитом образует фторапатит: [Са10(РО4)6(ОН)2]→
→[Са10(РО4)6(ОН)2-х Fх]. Хотя на долю фторапатита приходится лишь 1/40
часть гидроксилапатита, тем не менее, именно его присутствие придает
кислотоустойчивость и прочность зубам и костям. Таким образом, фтор
способствует фиксации кальция в твердых тканях и их минерализации.
В механизме противокариозного действия фтора определенную роль
играет и то, что он воздействует на ферментативные системы зубных бляшек и бактерий слюны. Фтор является ингибитором ферментов аденилилциклазы, енолазы, нарушает брожение углеводов в полости рта и уничтожает кариогенные бактерии, стимулирует кроветворение.
Недостаточное потребление приводит к кариесу, преждевременному
стиранию эмали зубов. Абсолютная зависимость установлена у детей. Особенно способствует кариесу вода, содержащая менее 0,5 мг/л F.
По данным ВОЗ вода должна содержать 0,7–1,2 мг/л F. Избыточные
количества фтора приводят к развитию эндемического флюороза.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие превращения происходят с минеральными веществами в пищевом канале?
2. Какие функции выполняют минеральные элементы в обмене веществ?
3. Перечислите макроэлементы пищи. Какова их роль в питании?
4. Какие элементы относятся к микроэлементам пищи? Какова их роль в питании?
206
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При изучении курса биохимии различные классы биомолекул рссматриваются по отдельности, но с завершением курса становится ясно, что
между липидами, углеводами, белками и нуклеиновыми кислотами существуют тесные взаимосвязи.
Например, биосинтез полисахаридов и фосфолипидов невозможен без
нуклеотидов УТФ и ЦТФ, соответственно. Пировиноградная кислота, образующаяся при распаде углеводов, декарбоксилируясь, превращается в ацетил-КоА, который служит и сырьем в синтезе жирных кислот, холестерина,
и источником энергии в цикле Кребса. АТФ – универсальное топливо для
всех обменных процессов. Протекающие при этом реакции возможны только при каталитическом действии ферментов, в составе многих из которых
есть витамины или минералы.
Все это свидетельствует о том, что многочисленные превращения веществ в клетке и организме – это цепь взаимозависимых химических процессов, которая хорошо прослеживается при оценке обмена веществ целиком. Изменения в одном из звеньев этой цепи неминуемо отражаются на
сопряженных реакциях или, казалось бы, отдаленных процессах. Известно
что, синтез ВЖК начинает тормозиться, когда образуется пальмитиновая
кислота – ингибитор ключевых ферментов данного процесса. Это пример
регуляции обмена веществ на уровне метаболитов. Более сложный, оперонный уровень регуляции осуществляется в синтезе белков и НК. Посттрансляционная модификация белков и транспорт веществ через мембраны – регуляция обмена веществ на уровне клетки.
И, наконец, высший уровень регуляции у человека – гормональный.
Перечисленные уровни регуляции подарены нам природой и обеспечивают
несколько степеней защиты организма от различных внешних факторов, но
бесконтрольное вмешательство в живую среду может привести к сбою регуляторных систем и серьезным нарушениям обмена веществ.
Все это необходимо иметь в виду специалистам, обеспечивающим выпуск пищевых продуктов, чтобы не нарушить сложившиеся взаимосвязи
обмена веществ.
Знания, приобретенные при изучении курса «Биохимии», послужат основой для понимания последующих дисциплин, таких как «Микробиология», «Биологическая безопасность пищевых систем», «Основы технологии
производства» и других.
207
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Березов Т.Т. Биологическая химия: учебник / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. – 3-е изд.,
перераб. и доп. – М.: Медицина, 1998. – 704 с.: ил. – (Учебная литература для студентов медицинских вузов).
2. Биологическая химия / под ред. Н.И. Ковалевской.– М.: Академия, 2008.– 253 с.
3. Биологическая
химия
[Электронный
ресурс]
/
–
Режим
доступа:
http://biohimija.ru/73/sintez-i-sozrevanie/ свободный. – Загл. с экрана. – (Дата обращения: 16.06.13).
4. Биохимия / под ред. Е.С. Северина [и др.].– М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009.– 768 с.
5. Горбатова К.К. Химия и физика молока: учебник для вузов. – СПб.: ГИОРД, 2004. –
288 с.: ил.
6. Комов В.П. Биохимия / В.П. Комов, В.Н. Шведова.– М.: Дрофа, 2006. – 640 с.
7. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология / А.С. Коничев, Г.А. Севастьянова.– М.: Academia, 2005. – 400 с.
8. Кононский А.И. Биохимия животных / А.И. Кононский.– 3-е изд., перераб. и доп. –
М.: Колос, 1992. – 526 с.: ил.
9. Проскурина И.К. Биохимия: учеб. пособие для вузов / И.К. Проскурина.– М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. – 240 с.
10. Пустовалова Л.М. Основы биохимии для медицинских колледжей / Л.М. Пустовалова.– 2-е изд.– Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 448 с. – (Медицина для вас).
11. Тепел А. Химия и физика молока / А. Тепел. – Пер. с нем. под ред. канд. техн. наук,
доц. С. А. Фильчаковой. - СПб.: Профессия, 2012. – 832 с., табл., ил.
12. Уайт А. Основы биохимии: в 3-х томах. Т. 1. Пер.с англ. / А.Уайт, Ф. Хендлер, Э.
Смит, Р. Хилл, И. Леман. - М.: Мир, 1981. - 534 с.
13. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии / Ю.Б. Филиппович.– М.: СПб: Агар: Флинта:
Лань, 1999.– 512 с.
14. Химический состав пищевых продуктов: Книга 1: Справочные таблицы содержания
основных пищевых веществ и энергетической ценности пищевых продуктов/ под
ред. И.М. Скурихина, М.Н. Волгарева.– 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Агропромиздат,
1987. – 224 с.
15. Химический состав российских пищевых продуктов: Справочник / под ред. членкорр. МАИ, проф. И.М. Скурихина и академика РАМН, проф. В.А. Тутельяна.– М.:
ДеЛи принт, 2002. – 236 с.
16. Сойфер В.Н. Репарирующие системы клеток.– М.: Знание, 1970.– 46 с.
17. Трехмерная структура лизоцима (мурамидазы) [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://images.yandex.ru/ свободный. – Загл. с экрана. – (Дата обращения:
16.01.13).
208
Содержание
Перечень принятых сокращений....................................................................................... 3
Введение .............................................................................................................................. 4
Глава 1. Определение и предмет исследования биохимии ................................................... 5
Вопросы для самоконтроля: ........................................................................................... 6
Глава 2. Химический состав живых организмов .................................................................... 7
2.1 Элементный состав живых организмов ......................................................................... 7
2.2 Молекулярный состав живых организмов ..................................................................... 8
2.2.1 Вода ............................................................................................................................. 9
2.2.2 Неорганические вещества ....................................................................................... 10
2.2.3 Органические вещества........................................................................................... 12
Вопросы для самоконтроля: ......................................................................................... 12
Глава 3. Аминокислоты ........................................................................................................... 13
3.1 Классификация аминокислот ........................................................................................ 17
3.2 Физико-химические свойства аминокислот ................................................................ 19
3.3 Пептиды........................................................................................................................... 23
Вопросы для самоконтроля: ......................................................................................... 25
Глава 4. Белковые вещества .................................................................................................... 26
4.1 Строение белковых молекул ......................................................................................... 26
4.1.1 Первичная структура ............................................................................................... 27
4.1.2 Вторичная структура ............................................................................................... 29
4.1.2.1 Надвторичные структуры................................................................................. 32
4.1.3 Третичная структура ............................................................................................... 33
4.1.4 Четвертичная структура .......................................................................................... 35
4.2 Физико-химические характеристики белков ............................................................... 36
4.2.1 Амфотерные и буферные свойства ........................................................................ 36
4.2.2 Гидрофильные свойства .......................................................................................... 38
4.2.3 Способы осаждения белков .................................................................................... 39
4.2.4 Коллоидные свойства .............................................................................................. 41
4.3 Номенклатура и классификация белков....................................................................... 43
Вопросы для самоконтроля: ......................................................................................... 46
Глава 5. Нуклеиновые кислоты .............................................................................................. 47
5.1 Состав нуклеиновых кислот .......................................................................................... 47
5.2 Структуры нуклеиновых кислот ................................................................................... 48
5.2.1 Структурные звенья нуклеиновых кислот ............................................................ 49
5.2.2 Первичная структура нуклеиновых кислот .......................................................... 52
5.2.3 Вторичная структура ДНК ...................................................................................... 53
5.2.4 Третичная структура ДНК ...................................................................................... 55
5.3 Виды РНК........................................................................................................................ 57
Вопросы для самоконтроля: ......................................................................................... 60
Глава 6. Ферменты ................................................................................................................... 61
6.1 Строение ферментов ...................................................................................................... 62
6.2 Кинетика ферментативных реакций ............................................................................. 65
6.3 Механизм ферментативного действия ......................................................................... 68
6.3.1 Механизм действия простых ферментов............................................................... 69
6.3.2 Механизм действия сложных ферментов.............................................................. 69
6.4 Свойства ферментов....................................................................................................... 71
6.4.1 Специфичность ферментативного действия ......................................................... 72
6.4.2 Термолабильность ферментов ................................................................................ 72
209
6.4.3 Влияние рН среды на активность ферментов ...................................................... 73
6.4.4 Влияние посторонних веществ на активность ферментов ................................... 75
6.5 Номенклатура и классификация ферментов ................................................................ 76
6.5.1 Оксидоредуктазы ..................................................................................................... 77
6.5.2 Трансферазы ............................................................................................................. 81
6.5.3 Гидролазы ................................................................................................................. 84
6.5.4 Лиазы ......................................................................................................................... 86
6.5.5 Изомеразы ................................................................................................................. 87
6.5.6 Лигазы (синтетазы) .................................................................................................. 90
Вопросы для самоконтроля: ......................................................................................... 91
Глава 7. Витамины ................................................................................................................... 92
7.1 Витамин А, ретинол, антиксерофтальмический .......................................................... 92
7.2 Витамин D3, кальциферол, антирахитный ................................................................... 94
7.3 Витамин Е, токоферол, антистерильный ...................................................................... 95
7.4 Витамин К, нафтохинон, антигеморрагический .......................................................... 96
7.5 Витамин F, полиненасыщенные жирные кислоты ...................................................... 97
7.6 Витамин В1, тиамин, антиневритный ........................................................................... 98
7.7 Витамин В2, рибофлавин................................................................................................ 99
7.8 Витамин В3, пантотеновая кислота ............................................................................. 100
7.9 Витамин В5, ниацин, антипеллагрический, РР .......................................................... 100
7.10 Витамин В6, пиридоксин ............................................................................................ 101
7.11 Витамин В9, фолацин, фолиевая кислота ................................................................. 102
7.12 Витамин В12, кобаламин, антианемический ............................................................. 103
7.13 Витамин С, аскорбиновая кислота, антицинготный ............................................... 104
Вопросы для самоконтроля: ....................................................................................... 105
Глава 8. Гормоны.................................................................................................................... 106
8.1 Уровни гормональной регуляции................................................................................ 106
8.2 Классификация и механизм действия гормонов........................................................ 106
8.3 Гормоны гипоталамуса ................................................................................................ 107
8.4 Гормоны гипофиза ........................................................................................................ 108
8.5 Гормоны периферических желез................................................................................. 109
8.5.1 Щитовидная железа ............................................................................................... 109
8.5.2 Паращитовидные железы ...................................................................................... 109
8.5.3 Поджелудочная железа .......................................................................................... 110
8.5.4 Надпочечники ......................................................................................................... 111
8.5.5 Половые железы ..................................................................................................... 112
8.6 Гормоноподобные соединения .................................................................................... 113
Вопросы для самоконтроля: ....................................................................................... 113
Глава 9. Обмен веществ и энергии ....................................................................................... 114
9.1 Классические и современная теории биологического окисления .......................... 116
9.2 Цикл трикарбоновых кислот ....................................................................................... 118
9.3 Дыхательная цепь и ее ферменты ............................................................................... 120
Вопросы для самоконтроля: ....................................................................................... 123
Глава 10. Углеводы и их обмен ............................................................................................. 124
10.1 Строение и свойства моносахаридов ........................................................................ 124
10.1.1 Образование гликозидов ..................................................................................... 128
10.2 Строение и свойства дисахаридов ............................................................................ 128
10.3 Строение и свойства полисахаридов ........................................................................ 131
10.4 Переваривание и всасывание углеводов .................................................................. 134
10.5 Поддержание постоянного уровня глюкозы в крови .............................................. 136
10.6 Окисление глюкозы .................................................................................................... 137
210
10.6.1 Дихотомический путь окисления глюкозы ....................................................... 137
10.6.2 Брожение углеводов ............................................................................................ 140
10.6.3 Апотомический путь окисления глюкозы ......................................................... 142
10.7 Биосинтез олиго- и полисахаридов .......................................................................... 143
Вопросы для самоконтроля ........................................................................................ 146
Глава 11. Липиды и их обмен ............................................................................................... 147
11.1 Классификация и структурные компоненты липидов ............................................ 147
11.2 Простые липиды ......................................................................................................... 148
11.2.1 Особенности молочного жира ............................................................................ 150
11.3 Стероиды ..................................................................................................................... 151
11.4 Сложные липиды ........................................................................................................ 152
11.5 Физико-химические свойства жиров и масел .......................................................... 154
11.6 Переваривание и всасывание липидов ..................................................................... 156
11.7 Транспорт липидов в организме ............................................................................... 158
11.8 Обмен липидов в тканях ............................................................................................ 159
11.8.1 Распад липидов .................................................................................................... 160
11.8.1.1 Окисление глицерина ................................................................................... 160
11.8.1.2 Окисление жирных кислот ........................................................................... 161
11.8.1.3 Перекисное окисление липидов .................................................................. 164
11.8.1.4 Образование кетоновых (ацетоновых) тел ................................................. 164
11.8.2 Биосинтез триглицеридов ................................................................................... 166
11.8.2.1 Синтез глицерина .......................................................................................... 166
11.8.2.2 Синтез жирных кислот (малоновый цикл) ................................................. 166
11.8.3 Биосинтез фосфолипидов ................................................................................... 169
11.8.4 Синтез холестерина ............................................................................................. 172
Вопросы для самоконтроля: ....................................................................................... 172
Глава 12. Обмен аминокислот и белков............................................................................... 173
12.1 Переваривание и всасывание белков........................................................................ 173
12.2 Обмен белков и аминокислот в тканях .................................................................... 175
12.2.1 Обмен отдельных аминокислот.......................................................................... 177
12.3 Обезвреживание аммиака .......................................................................................... 180
Вопросы для самоконтроля: ....................................................................................... 181
Глава 13. Функционирование нуклеиновых кислот ........................................................... 182
13.1 Биосинтез ДНК и РНК ............................................................................................... 182
13.1.1 Биосинтез ДНК – репликация ............................................................................ 183
13.1.1.1 Репарация повреждений ДНК ...................................................................... 186
13.1.2 Биосинтез РНК – транскрипция ......................................................................... 187
13.2 Биосинтез белка – трансляция. Генетический код .................................................. 189
13.2.1 Транспорт синтезированных белков через мембраны ..................................... 195
13.2.2 Постсинтетическая (посттрансляционая) модификация белков .................... 195
Вопросы для самоконтроля: ....................................................................................... 195
Глава 14. Минеральный обмен ............................................................................................. 196
14.1 Превращения минеральных веществ в пищевом канале ........................................ 196
14.2 Промежуточный обмен минеральных веществ ....................................................... 197
14.2.1 Обмен макроэлементов ....................................................................................... 199
14.2.2 Обмен микроэлементов ....................................................................................... 201
Вопросы для самоконтроля: ....................................................................................... 206
Заключение ...................................................................................................................... 207
Список литературных источников ................................................................................ 208
211
Учебное издание
НОВОКШАНОВА Алла Львовна
Биохимия
Учебное пособие
Технический редактор Ю.И. Чикавинский
Корректор Г.Н. Елисеева
Подписано в печать 22.11.2013 г.
Объем 13,3 усл. печ. л.
Заказ № 283-Р
Формат 60/90 1/16
Тираж 50 экз.
Издательский центр Вологодской государственной
молочнохозяйственной академии им. Н.В. Верещагина
160555 г. Вологда, c. Молочное, ул. Шмидта, 2
212