Химические основы биологических процессов
реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» А.В.ТКАЧУК ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (учебно-методическое пособие) Ростов – на – Дону 2008 Ткачук А.В. Химические основы биологических процессов: Учебнометодическое пособие. – Ростов-на-Дону, 2008 – 64 с. Настоящее учебно-методическое пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Химические основы жизни» для студентов старших курсов химических факультетов государственных университетов. В учебно-методическом пособии представлены материалы для самостоятельной проработки таких важных разделов биохимии, как «Белковые вещества», «Ферменты», «Витамины и минеральные вещества», «Липиды и мембраны», а также «Углеводы», включающие краткое изложение теоретического материала, описание методики решения типовых задач, приведены тесты для самоконтроля и проектные задания. 2 Учебно-методическое пособие «Химические основы биологических процессов» предназначено, в первую очередь, для облегчения работы студента при изучении ими дисциплины "Химические основы жизни". Структура пособия выстроена в соответствии с рабочей программой дисциплины. В данное пособие включен далеко не весь теоретический материал, оно не заменяет рекомендуемые обязательные учебники по курсу, а лишь является дополнением к этим учебникам. Учебно-методическое пособие состоит из четырех модулей, в каждом из которых выделены наиболее важные или наиболее сложные для понимания теоретические вопросы, отражающие последовательность изложения материала в лекционном курсе. Каждый из этих модулей включает краткое изложение основных теоретических положений. Предложенный материал по курсу «Химические основы жизни» должен помочь студентам в формировании современных представлений о фундаментальных достижениях в изучении химии мира живого: химического состава живых организмов, свойств биомолекул и особенностей их взаимодействия, дать представление о молекулярных основах биокатализа, метаболизма. Этот теоретический материал может быть использован при подготовке студентов к коллоквиумам и экзамену. После его изложения в каждом модуле рассмотрены примеры типовых задач, даны методические указания к их решению и содержательные блоки по проверке знаний с помощью тестовых заданий. Блоки тестовых заданий сформулированы в трех специальных формах. Теоретические задания с выбором ответов (Блок 1) - к каждому теоретическому вопросу такого типа предлагаются по четыре варианта ответов, только один из которых является верным, или, наоборот, неправильным, а остальные три верные. За любое правильно решенное задание Блока 1 студент получает один балл. 3 Задачи с выбором ответов (Блок 2) оцениваются в два балла. Они несложные и решаются практически в одно или несколько действий. Верный ответ выбирается из четырех предлагаемых вариантов. Задания с развернутым ответом (Блок 3) предлагают студенту записать ответ в развернутой форме и в зависимости от полноты решения и его правильности могут оцениваться от одного до пяти баллов. По окончании каждого раздела предусмотрено выполнение студентом проектного задания. Его выполнение является заключительным этапом усвоения материала данного раздела, цель которого - помочь студенту выработать знания и умения по применению основных теоретических положений теории для решения разнообразных практических биохимических задач. 4 Введение Химические основы жизни изучаются интегральной наукой - биологической химией. Задача биохимии – исследование химического состава и строения природных соединений, их биологической активности и молекулярной природы всех процессов, благодаря которым осуществляется жизнь. Химический состав живых организмов Организм животных или растений может содержать до 76 различных элементов. Наибольшее содержание в организме животных составляют следующие элементы: Кислород ~ 62 % Углерод ~ 21 % Водород ~ 10 % Азот ~ 3 % Из остальных элементов условно выделяют : - группу макроэлементов (Na, K, Ca, Mg, P, S, S, Cl) содержание каждого из которых в живом организме превышает 0,001 %; - группу микроэлементов (Fe, Cu, Mn, Mo, Co, Zn, I и др.)содержание колеблется от 0,001 до 0,000001% Всего на долю минеральных веществ приходится около 4 %. Из химических элементов в живом организме строятся молекулы типичных (для этого организма) соединений. Все основные биологически активные соединения построены из элементов O, C, N, H, S и Р. Некоторые органы и ткани животных в силу специфики их функционирования обладают способностью накапливать определенные химические элементы. Например, в костной ткани накапливаются кальций и фосфор; в крови – железо; щитовидная железа богата йодом, а печень - медью и т.д. Различные физиологические и экологические факторы оказывают существенное влияние на количество отдельных химических элементов в органах и тканях 5 животных, но в пределах одного вида химический состав организма весьма стабилен. Организм человека имеет следующий состав: - Вода ~ 60 – 65 % - Органические соединения ~ 30 – 32 % - Минеральные вещества ~ 4 % Более половины от органических соединений составляют белки и пептиды, остальное приходится на липиды, углеводы и другие классы соединений. В первую очередь специфические особенности строения и функционирования каждой клетки определяются набором синтезирующихся в ней белков. Модуль 1 Белковые вещества и ферменты Комплексная цель модуля Сформировать и систематизировать представления о строении и функционировании белковых веществ в организме. Содержание модуля Белки или протеины — высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, молекулы которых построены из остатков аминокислот. В природе существует примерно от 1010 до 1012 различных белков, составляющих основу 1,2 • 106 видов живых организмов, начиная от вирусов и заканчивая человеком. Огромное разнообразие белков обусловлено способностью 20 протеиногенных α-аминокислот взаимодействовать друг с другом с образованием полимерных молекул с молекулярной массой от 5 тыс до 1 млн (и более) дальтон. К примеру, включение в состав белка остатков только 15 аминокислот приводит к получению приблизительно 1,3 • 1012 изомеров. Поэтому нетрудно представить, какое многообразие белков со всеми особенностями структурной организации возможно в природе при условии включения в полимерную цепь около сотни и более протеиногенных аминокислот. 6 Каждый вид живых организмов характеризуется индивидуальным набором белков, определяемым наследственной информацией, закодированной в ДНК. Информация о линейной последовательности нуклеотидов ДНК переписывается в линейную последовательность аминокислотных остатков, которая, в свою очередь, обеспечивает самопроизвольное формирование трехмерной устойчивой структуры индивидуального белка. Расположение белковых молекул в пространстве определяет их биологические функции, главными из которых являются структурная (кератин волос, ногтей, коллаген соединительной ткани, эластин, муцины слизистых выделений), каталитическая (ферменты), транспортная (гемоглобин, миоглобин, альбумины сыворотки), защитная (антитела, фибриноген крови), сократительная (актин, миозин мышечной ткани), гормональная (инсулин поджелудочной железы, гормон роста, гастрин желудка) и резервная (овальбумин яйца, казеин молока, ферритин селезенки). Резервная, или питательная, функция заключается в использовании белков в качестве источника аминокислот, расходующихся на синтез белков и других активных соединений, регулирующих процессы обмена, например, в развивающемся плоде или проростках растений. Белковые вещества также участвуют в осуществлении множества других важнейших процессов в организме, таких, например, как возбудимость, координация движений, дифференцировка клеток. Структура белковых молекул Белки — это высокомолекулярные соединения (полимеры), состоящие из α-аминокислот — мономерных звеньев, соединенных между собой пептидными связями. Все 20 аминокислот, встречающиеся в белках, — это αаминокислоты, общим признаком которых является наличие аминогруппы NН2 и карбоксильной группы -СООН у α-углеродного атома. При физиологических значениях рН аминокислоты ионизированы, их строение можно представить общей формулой: Н3+N-СН(R)-СОО-. α-Аминокислоты 7 отличаются друг от друга структурой группы R и, следовательно, свойствами. На основе полярности R-групп, т.е. их способности взаимодействовать с водой при биологических значениях рН, выделяют аминокислоты – гидрофобные и гидрофильные. Среди гидрофильных аминокислот различают аминокислоты с полярными незаряженными радикалами, с полярными отрицательно заряженными радикалами и полярными положительно заряженными радикалами. Пептидные связи образуются при взаимодействии α-аминогруппы одной аминокислоты с α-карбоксильной группой другой аминокислоты. Пептидная связь — амидная ковалентная связь, соединяющая аминокислотные остатки в цепочку. Следовательно, пептиды — это цепочки аминокислот. Полипептидная цепь имеет определенное направление, так как у нее разные концы: либо свободная α-аминогруппа (N-конец), либо свободная α-карбоксильная группа (С-конец). Последовательность аминокислот в цепи изображают начиная с Nконцевой аминокислоты. С нее же начинается нумерация аминокислотных остатков. В полипептидной цепи многократно повторяется группа: —NН—СН(R)—СО— Первичная структура белковых молекул. Под первичной структурой белков понимают последовательность аминокислот в полипептидной цепи и положение дисульфидных связей, если они имеются. Пептидная связь имеет частично двойной характер, так как расстояние между — NH и —СО группами в ней занимает промежуточное (1,32А) положение между расстояниями одинарной (1,49А) и двойной (1,27А) связей. Кроме того, группы R чередуются по обе стороны пептидной связи, следовательно, наблюдается трансизомерия. Расстояния между другими атомами и углы в структуре полипептидных цепей представлены на рисунке. Многие белки состоят из 8 нескольких полипептидных цепей, соединенных между собой дисульфидными связями. Порядок соединения аминокислотных остатков друг с другом определяют химическими (метод Эдмана) и ферментативными методами. Ферментативные методы основаны на свойстве специфичности ферментов. Так, трипсин разрывает молекулу на уровне карбоксильных групп лизина и аргинина, химотрипсин — карбоксильных групп ароматических аминокислот. Полипептидная цепь белковой молекулы не лежит в одной плоскости, а имеет определенную конформацию Вторичная структура белковых молекул Способы укладки полипептидной цепи: - α – спираль - образуется внутрицепочечными водородными связями между NН-группой одного остатка аминокислоты и СОгруппой 4-го от нее остатка. - β – складчатый слой - образуется межцепочечными водородными связями или связями между участками одной полипептидной цепи, изогнутой в обратном направлении . - беспорядочный клубок - это участки, не имеющие правильной периодической пространственной организации. Конформация этих участков также строго обусловлена последовательностью аминокислотных остатков. Содержание α-спиралей и β-структур в разных белках различно: у фибриллярных белков имеется только спираль или только складчатый лист, а у глобулярных белков — отдельные фрагменты полипептидной цепи: либо спираль, либо складчатый лист, либо беспорядочный клубок. В одном и том же белке возможны все три способа укладки полипептидной цепи. Третичная структура белковых молекул Третичная структура - представляет ориентацию в пространстве полипептидной цепи, содержащей α-спирали, β-структуры и участки без периодической структуры. 9 Дополнительное складывание скрученной полипептидной цепи образует компактную структуру. Это происходит прежде всего в результате взаимодействия между боковыми цепями (R-группами) аминокислотных остатков. Существует несколько видов взаимодействия между R-группами, в основном нековалентного характера: 1) электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи); 2) водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами; 3) гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) Rгруппами; Слабые связи: Водородные: 1 - между пептидными группами; 2 - между кислотами и спиртами (серин); 3 - между фенолом и имидазолом. Электростатические: 4 - между основаниями (аргинин, лизин) и кислотами (глутаминовая, аспарагиновая). Гидрофобные: 5 - при участии лейцина, изолейцина, валина, аланина; 6 - с участием фенилаланина. 4) дисулъфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные. Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными для правильного скручивания молекулы. Многие белки обладают четвертичной структурой. Она представляет собой комбинацию субъединиц с одинаковой или разной первичной, вторичной и третичной структурой. Субъединицы соединены друг с другом с помощью слабых нековалентных связей. Действия мочевины, кислых и солевых растворов, детергентов часто приводят к диссоциации белка на субъединицы и потере их биологической активности. Диссоциация может быть обратимой. Примером белков с четвертичной структурой могут 10 служить ферменты лактатдегидрогеназа и глютаматдегидрогеназа, содержащие, соответственно, четыре и восемь субъединиц. Связь между структурой белка и его функцией можно рассмотреть на примере двух родственных белков — миоглобина и гемоглобина. Миоглобин — мономер (состоит из одной полипептидной цепи), основная его функция — запасание кислорода в тканях. Имея высокое сродство к кислороду, миоглобин легко присоединяет его и отдает только при интенсивной мышечной работе, когда парциальное давление кислорода падает ниже 10 мм рт.ст. Гемоглобин — тетрамер (состоит из четырех протомеров). Основная функция гемоглобина — обратимое связывание с кислородом в легких, где парциальное давление кислорода высокое и гемоглобин взаимодействует с четырьмя молекулами кислорода. Гиперболическая форма кривой у миоглобина характерна для процесса связывания одной молекулы лиганда (в данном случае О2) единственным местом в белковой молекуле, состоящей из одной полипептидной цепи. Сигмоидальная кривая у гемоглобина характерна для белков, содержащих несколько пептидных цепей и имеющих несколько мест связывания. Кривые насыщения кислородом миоглобина (а) и гемоглобина (б). В данном случае проявляется положительный кооперативный эффект, который объясняется следующим образом: первый связанный лиганд (О2) 11 облегчает связывание второй молекулы О2 со вторым гемом, что в свою очередь облегчает связывание третьей молекулы О2 с третьим гемом, а это облегчает связывание последней молекулы О2. В тканях СО2 и Н2О, образующиеся при катаболизме пищевых веществ, взаимодействуют с гемоглобином и уменьшают его сродство к кислороду, что облегчает поступление кислорода в ткани. В эритроцитах имеется также аллостерический лиганд — 2,3-дифосфоглицерат, способный взаимодействовать с дезоксигемоглобином в местах, удаленных от центра связывания (аллостерические центры). Это препятствует обратному связыванию освободившегося кислорода с гемоглобином. Таким образом, связывание гемоглобина с аллостерическими лигандами в тканях при относительно высоком парциальном давлении обеспечивает поступление кислорода в ткани. Функциональные свойства белковых молекул К наиболее важным растворимость, способность функциональным водосвязывающая стабилизировать и свойствам белков жиросвязывающая дисперсные системы относятся способность, (эмульсии, пены, суспензии), образовывать гели, пленкообразующая способность, адгезионные и реологические свойства (вязкость, эластичность), способность к прядению и текстурированию; денатурация (нарушение нативной конформации) и ренативация. Простые и сложные белки К простым белкам (апопротеинам) относятся белки, структура которых представлена только полипептидной цепью, т. е. при их гидролизе образуются только аминокислоты. К апопротеинам относят такие белки, как гистоны, протамины, альбумины, глобулины, проламины, глютелины и склеропротеины. Сложные белки (холопротеин), образованы двумя компонентами, один из которых — апопротеин, а второй — вещество небелковой природы - 12 простетическая группа, связанная с белком за счет специфических взаимодействий. Роль простетической группы могут выполнять как органические, так и неорганические соединения: углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, металлопорфирины, ионы металлов, фосфорная кислота и др. Химические связи между белком и простетической группой в молекулах холопротеинов в определенных условиях способны разрушаться, в результате чего может протекать следующая обратимая реакция: Холопротеин Апопротеин + Простетическая группа. Химическая и биологическая ценность белков Химическая ценность белков определяется аминокислотным составом. Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты (не способной синтезироваться в организме) приводит к неполному усвоению других. Биологическая ценность белков определяется на только их аминокислотным составом, но и степенью их усвоения после переваривания. Белки животного происхождения имеют более высокую степень усвоения (для человека), чем растительного происхождения. Ферменты Ферменты – биологические катализаторы белковой природы. От других катализаторов ферменты отличаются тремя уникальными свойствами – высокой эффективностью действия, специфичностью и способностью к регуляции. Единицы активности ферментов. — Стандартная единица фермента — это такое количество фермента, которое катализирует превращение одного микромоля данного субстрата за одну минуту при заданных условиях. Стандартная единица фермента обозначается буквой Е (от русского слова «единица») или буквой U (от английского слова «unit»). — Удельная активность —это число единиц (Е или U), отнесенное к одному миллиграмму белка в ферментном препарате. Количество белка в препарате 13 фермента может быть определено любым известным методом определения белка (метод Кьельдаля, метод Лоури и др.). — Молекулярная активность — число молекул данного субстрата или эквивалентов затронутых групп, превращаемых за одну минуту одной молекулой фермента при оптимальной концентрации субстрата. Это понятие соответствует числу оборотов, введенных Варбургом. Число оборотов по Варбургу (ώ) — это число молей превращенного субстрата, приходящееся на моль фермента за минуту. Классы ферментов. В зависимости от типа катализируемой реакции все ферменты разделены на 6 классов. В основе классификации лежит специфичность их действия. 1 класс – оксидоредуктазы - ферменты, катализирующие окислительновосстановительные реакции (присоединение О2, отнятие и перенос Н2, перенос электронов); 2 класс – трансферазы - ферменты переноса. Катализируют перенос целых атомных группировок с одного соединения на другое (например, остатков моносахаридов, аминокислот, остатков фосфорной кислоты, метальных и аминных групп и т.д.); 3 класс – гидролазы - ферменты, катализирующие реакции гидролиза, то есть расщепления сложных органических соединений на более простые с участием воды. 4 класс - лиазы - ферменты, катализирующие реакции негидролитического отщепления каких-либо групп от субстрата с образованием двойной связи или присоединение группировок по месту разрыва двойной связи (например, отщепление Н2О, СО2, NН3 и т.д.); 5 класс - изомеразы - ферменты, катализирующие реакции изомеризации, то есть внутримолекулярного переноса химических группировок и образование изомерных форм различных органических соединений; 6 класс - лигазы (синтетазы) - ферменты, катализирующие реакции синтеза, сопряженные с разрывом высокоэнергетической связи АТФ и других 14 нуклеозидтрифосфатов (при этом возможно образование С-С-; С-S-; С-О-; и С-N- связей). Коферменты и кофакторы Все ферменты относятся к глобулярным белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию, обусловленную присущей ему глобулярной структурой. Однако активность многих ферментов зависит от небелковых соединений, называемых кофакторами. Молекулярный комплекс белковой части — апофермента и кофактора называется холоферментом. Роль кофактора могут выполнять ионы металлов или органические соединения. Органические кофакторы обычно называют коферментами, некоторые из них являются производными витаминов Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда они существуют отдельно и связываются друг с другом во время протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны постоянно, иногда прочными ковалентными связями. В последнем случае небелковая часть фермента называется простетической группой. Роль кофактора сводится к изменению третичной структуры белка и создание комплементарности между ферментом и субстратом. Коферменты обычно принимают непосредственное участие в реакции в качестве еще одного субстрата, могут выступать как доноры или акцепторы определенных химических групп. Механизмы действия ферментов Детальный механизм действия каждого фермента уникален. Общее заключаются в следующем: - высокая избирательность действия фермента обеспечивается тем, что субстрат связывается в активном центре фермента в нескольких точках и это исключает ошибки; - активный центр формируется из нескольких специфических R–групп остатков аминокислот, определенным образом ориентированных в пространстве и располагается в углублении (в нише) — третичной 15 конформации поверхности фермента. Имеет комплементарную субстрату конфигурацию. В результате субстрат оказывается окруженным функциональными группами активного центра фермента и удаленным из водной среды. Факторы влияющие на активность фермента Максимальная активность фермента обусловлена оптимальной конформацией молекулы фермента в целом и активного центра в частности, поэтому даже небольшие изменения окружающих условий, которые затрагивают связывание субстрата или конформацию третичной структуры белка, будут влиять на скорость ферментативной реакции. Например, изменение рН приводит к изменению степени ионизации ионогенных групп фермента и, следовательно, ведет к перераспределению межрадикальных связей в третичной структуре. Изменение температуры вызывает противоречивый эффект: с одной стороны, при повышении температуры до 37 - 40 °С скорость ферментативной реакции увеличивается, что закономерно для катализа; с другой стороны, при температуре выше 50 °С начинается денатурация фермента. Скорость ферментативной реакции также зависит от концентрации субстрата и концентрации фермента Кинетика ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса- Ментен Кинетика ферментативных реакций фермент-субстратного комплекса: E + S определяется образованием ES → P + E где Е — фермент; S — субстрат; ЕS — фермент-субстратный комплекс, P – продукт. Графическая зависимость скорости односубстратной ферментативной реакции от концентрации субстрата выглядит следующим образом: где – S – концентрация субстрата, Vmax- максимальная скорость реакции, Vо –начальная скорость реакции, 16 Км – константа Михаэлиса-Ментен – такая концентрация субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной. Математически эта зависимость может быть выражена Уравнением Михаэлиса-Ментен: Vo = Vmax [S] / [S]+ Kм Эта же зависимость для ферментов, строго подчиняющихся кинетике Михаэлиса-Ментен, может быть выражена графиком Лайнуивера-Бэрка, построенного в двойных обратных координатах. Данный график позволяет более точно определить величину Vmax Ингибиторы ферментов Активность ферментов может снижаться в присутствии определенных химических веществ — ингибиторов. Ингибиторы бывают обратимыми и необратимыми. Подобное деление основано на прочности связывания ингибитора с ферментом. Другой способ деления ингибиторов основывается на положении места их связывания в молекуле белка. Одни из них связываются с ферментом в активном центре – конкурентные ингибиторы, другие могут связывать и блокировать функциональную группу молекулы фермента в удалении от активного центра – неконкурентные ингибиторы. К необратимым ингибиторам относятся ионы тяжелых металлов, фосфорорганические соединения и др. Например, диизопропилфторфосфат ингибирует ферменты, имеющие серин в активном центре. Таким ферментом может быть ацетилхолинэстераза. 17 Ацетилхолинэстераза катализирует следующую реакцию: Реакция происходит каждый раз после проведения нервного импульса, прежде чем второй импульс будет передан через синапс. Диизопропилфторфосфат — одно из отравляющих веществ нервнопаралитического действия, так как ингибирование ацетилхолинэстеразы приводит к утрате способности нейронов проводить нервные импульсы. Терапевтическое действие аспирина как жаропонижающего и противовоспалительного средства объясняется тем, что аспирин ингибирует один из ферментов, катализирующий синтез простагландинов (ПГ). Простагландины — вещества, участвующие в развитии воспаления. Ингибирование обусловлено ковалентной модификацией одной из аминогрупп фермента — простагландинсинтетазы (ПГС-NH2) - происходит ацилирование аминогруппы фермента аспирином. Обратимые ингибиторы Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным центром, так как ингибитор и субстрат имеют сходные структуры. Повысив концентрацию субстрата, можно устранить или ослабить действие конкурентного ингибитора. Конкурентными ингибиторами являются многие химиотерапевтические Конкурентный средства, ингибитор например, снижает сульфамидные сродство фермента к препараты. субстрату, следовательно, величина Км в присутствии конкурентного ингибитора увеличивается. Графически это выглядит следующим образом: 18 Конкурентное ингибирование : 1 – без ингибитора, 2 – с ингибитором При неконкурентном торможении ингибитор связывается не с активным центром фермента (то есть не там, где присоединяется субстрат), а с другим участком молекулы фермента. Очевидно, что в этом случае ингибитор не оказывает влияние на величину константы Михаэлиса Км, но будет снижать максимальную скорость реакции — Vmax Графически это можно изобразить следующим образом Неконкурентное ингибирование: 1-без ингибитора; 2- с неконкурентным ингибитором Наиболее важными неконкурентными ингибиторами промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться со специфическими участками ферментов (аллостерическими центрами) и изменять их активность. Это является одним из способов регуляции метаболизма. Методические указания к выполнению заданий Модуля 1 Перед выполнением заданий необходимо выписать из любого учебного пособия и выучить формулы основных протеиногенных аминокислот и их 19 трехбуквенные сокращения, выделить заменимые и незаменимые аминокислоты. Примеры решения типовых задач Модуля 1 Пример 1. Какова величина изоэлектрической точки лизина. Решение: Изоэлектрическая точка (pHi) это то значение pH, при котором раствор аминокислоты содержит равное число катионов и анионов. Изобразим структурные формулы указанной аминокислоты в нейтральной, кислой и щелочных средах - в нейтральной среде, суммарный (NH3)+-CH2-CH2-CH2-CH(NH3)+-COOзаряд молекулы равен +1 (NH3)+-CH2-CH2-CH2-CH(NH3)+-COOH – в кислой среде, суммарный заряд молекулы равен +2 (NH2)-CH2-CH2-CH2-CH(NH2)-COO- в сильно-щелочной среде, суммарный заряд молекулы равен -1 (NH2)-CH2-CH2-CH2-CH(NH3)+-COO- в слабо-щелочной среде, суммарный заряд молекулы равен 0. Это и есть изоэлектрическая точка. Можно также рассчитать значения pHi, используя справочные данные по константам ионизации имеющихся функциональных групп. Аналогичным образом выполняется и обратная задача: Пример 2. Определить заряд молекулы лизина при рН= 1; 7; 14. Решение: Изобразим структурные формулы указанной аминокислоты в нейтральной, кислой и щелочных средах - в нейтральной среде, суммарный (NH3)+-CH2-CH2-CH2-CH(NH3)+-COOзаряд молекулы равен +1 (NH3)+-CH2-CH2-CH2-CH(NH3)+-COOH – в кислой среде, суммарный заряд молекулы равен +2 (NH2)-CH2-CH2-CH2-CH(NH2)-COO- в сильно-щелочной среде, суммарный заряд молекулы равен -1 20 Пример 3 Карбоангидраза эритроцитов, имеющая молекулярную массу 30000 - один из самых активных ферментов, известных в настоящее время. Она катализирует обратимую реакцию гидратации СО2 Н2О + СО2 Н2СО3, которая играет важную роль в транспорте СО2 из тканей в легкие. Рассчитайте число оборотов карбоангидразы, если при оптимальных условиях 10 мкг чистой карбоангидразы катализируют гидратацию 0,30 г СО2 в 1 мин при 37°С. Решение: По определению число оборотов фермента (ώ) это число молей превращенного субстрата, приходящееся на 1 моль фермента (или один каталитический центр) за минуту. ώ = ν СО2 / ν(фермента) ∙ 1мин Молекулярная масса СО2=44г/моль Число молей СО2 - ν СО2= 0,3г / 44г/моль= 6,8∙ 10 -3 моль Масса фермента = 10 мкг = 10∙10 -6г, молекулярная масса дана в условии задачи – 30000 г/моль, отсюда Число моль фермента ν(фермента) = 10∙10 -6г /30000 г/моль = 3,3∙10 -10моль Число оборотов карбоангидразы ώ = 2,06∙10 7 мин -1 ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ МОДУЛЯ №1 Блок 1. Теоретические задания с выбором ответов. За любое правильно решенное задание Блока 1 студент получает один балл. Число заданий в Блоке 1 - четыре. Выберите один неправильный ответ и отметьте его любым значком в бланке ответов. 1. К слабым связям, участвующим в образовании нативных белков, относятся: 1) пептидные 2) водородные 3) ионные 4) гидрофобные 2. Сродство гемоглобина (Hb) к кислороду уменьшается: 1) По мере 2) При увеличении 21 присоединения молекул О2 к протомерам Hb В результате протонирования Hb в крови концентрации О2 При присоединении 2,3-бифосфоглицерата 3. Белки денатурируют в результате: 1) Действия 2) Повышения протеолитических температуры ферментов 3) Изменения рН 4) Воздействия мочевины 4. Активность фермента в клинике определяют при стандартных условиях измерения, а именно При В буфере с концентрации 1) определенным 2) субстрата, значением рН равной Км Через короткое При темпе3) время после 4) ратуре 25 оС начала реакции 3) 4) Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 3 4 Блок 2. Задачи с выбором ответов. За любое правильно решенное задание Блока 2 студент получает два балла. Число заданий в Блоке 1 - три. 1. Гистидин имеет три ионизируемые функциональные группы. Каков суммарный заряд молекулы гистидина при рН = 1 1) 0 2) +1 3) +2 4) -1 2. По данным количественного аминокислотного анализа в сывороточном альбумине белка содержится 0,58 % 22 триптофана, мол. масса которого равна 204. Рассчитайте минимальную молекулярную массу сывороточного альбумина 1) 32069 г/моль 2) 32241 г/моль 3) 35172 г/моль 4) 30058 г/моль 3. К 10 мл раствора содержащего 1 мг/мл чистого фермента, добавили такое количество АgNО3, которое достаточно для полной инактивации фермента. Для этого потребовалось 0,342 мкмоля АgNО3. Рассчитайте минимальную молекулярную массу фермента. 1) 2900 2) 58000 3) 29000 4) 43500 Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 3 Блок 3. Задания с развернутым ответом. Студент должен записать ответ в развернутой форме и в зависимости от полноты решения и его правильности могут оцениваться от одного до пяти баллов. Число заданий в Блоке 1 - три. 1. Препарат, содержащий 2,0 мг аргиназы, за 10 мин при 38°С и рН 9,0 катализировал образование 30 мкмоль мочевины. Рассчитайте удельную активность фермента и объясните, как и почему изменяется активность фермента, если: а) изменить рН инкубационной среды до 5,0; б) в инкубационную среду добавить гликоциамин HN=C(NH2)-NH-CH2COOH в) в присутствии гликоциамина увеличить в среде концентрацию аргинина. 2. Фермент сахараза может катализировать следующие реакции: 23 А. глюкозо-фруктоза(сахароза) + Н2О → Глюкоза + фруктоза Б. Фруктозо-глюкозо-галактоза (раффиноза) + Н2О→ Фруктоза + глюкоза + галактоза Если субстратом является сахароза, то Км = 0,05 мМ, если рафиноза, то Км = 2,0 мМ. Изобразите в виде графиков зависимость скорости реакции, катализируемой сахаразой, в зависимости от концентрации субстратов и объясните: а) что показывает Км; б) в каком случае при одинаковой концентрации субстратов скорость реакции будет больше; в) какой вид специфичности фермента к субстрату иллюстрирует этот пример. 3. На чем основано действие аспирина как жаропонижающего средства, лекарства, снимающего слабые боли и уменьшающего воспалительные процессы? а) напишите схему процесса, на который влияет аспирин; б) укажите фермент, ингибитором которого является аспирин; в) в чем заключается причина изменения конформации молекул фермента при действии на нее аспирина, обратима ли инактивация фермента. Проектное задание Выписать формулу гормона белковой природы – инсулина, используя трехбуквенные сокращения в написании аминокислот. Предоложить способ установления его строения, опираясь на свойства белковых молекул. Модуль 2 Витамины и минеральные вещества Комплексная цель модуля Сформировать представление о витаминах как о важнейшем классе незаменимых пищевых веществ, показать их взаимосвязь в метаболических процессах. Содержание модуля 24 Витамины – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, биорегуляторы процессов протекающих в живом организме. Из витаминов образуются коферментные или простетические группы ферментов. Некоторые из них участвуют в транспортных процессах через клеточные барьеры, в защите компонентов биологических мембран и т.д. По растворимости различают водо- и жирорастворимые витамины. Кроме собственно витаминов выделяют группы витаминоподобных соединений, провитаминов и антивитаминов. Витамины и их роль в протекании ферментативных процессов Витамин Коферментная (или Тип катализируемой Суточная активная) форма реакции или функция потребность Водорастворимые Тиамин Тиаминпирофосфат Декарбоксилирование 1,5 – 2 мг В1 α-кетокислот Рибофлавин Флавинмононуклеотид, Окислительно- В2 (FMN) восстановительные Флавинадениндину- реакции 1,5 – 2 мг клеотид (FAD) Никотиновая Никотинамидаденин- Окислительно- кислота динуклеотид (NAD), восстановительные В5 (РР) никотинамидаденин- реакции 10 – 20 мг динуклеотидфосфат Пантотеновая Кофермент А (KoA) Перенос ацильных кислота, В3 групп Пиридоксин 10 мг Пиридоксальфосфат Перенос аминогруп 2 – 4 мг Биотин, Н Биоцитин Перенос СО2 0,15 – 0,3 мг Фолиевая Тетрагидрофолиевая Перенос одно- 0,3 – 1 мг кислота, В9 кислота углеродных групп В6 25 Витамин В12 Дезоксиаденозилкобал- Перенос связанного с 0,003 мг амин углеродом атома водорода на соседний атом углерода Аскорбиновая Не известна Кофактор реакций 60 – 100 мг кислота, С гидроксилирования Жирорастворимые Витамин А Ретиналь Зрительный процесс Витамин D 1,25-дигидроксихоле- Регуляция кальциферол Са2+ Не известна Защита мембранных 20 – 40 мг Витамин E 1,5 – 2 мг обмена 0,02 мг липидов Витамин K Не известна Кофактор реакций 1 – 2 мг карбоксилирования Межвитаминные взаимоотношения Между витаминами существует тесное взаимодействие в процессах метаболизма. Оно может выражаться: • в непосредственном взаимном влиянии витаминов друг на друга; • во влиянии одного витамина на образование коферментной формы другого; • в совместном участии в каком-либо метаболическом пути. 1. Тесным синергичным антиоксидантным действием обладают витамины С, Е и А. Витамин С в клетках может играть роль как про-, так и актиоксиданта. Оказалось, что введение высоких доз аскорбата на фоне гиповитаминоза Е усиливает прооксидантный эффект витамина С на 2 порядка (!). Выраженный антиоксидантный эффект витамина С проявляется только при его совместном действии с токоферолом, поскольку последний устраняет свободные радикалы жирных кислот и их перекиси, образующиеся в реакциях аскорбатстимулированного ПОЛ (перекисного окисления липидов). 26 С другой стороны, при недостатке аскорбиновой кислоты витамин Е быстро разрушается. Антиоксидантный эффект токоферола резко усиливается в присутствии витамина А, который устраняет свободные радикалы кислорода и тем самым предупреждает развитие процесса ПОЛ в биомембранах. При нестимулированном ПОЛ облегчается «задача» токоферола по устранению перекисей липидов. Однако витамин А легко окисляется кислородом воздуха и относительно быстро расходуется. Процесс идет аутокаталитически с образованием свободных радикалов. Витамин Е оказывает стабилизирующее действие на ретинол и β-каротины, препятствуя их окислительной деструкции. Таким образом, эффективность действия витаминов- антиоксидантов зависит от того, применяются они в изолированном виде или в сочетании друг с другом. Отдельно назначенные витамины А и С могут вызвать прооксидантный эффект в тканях организма. Следует учитывать также, что процессы свободнорадикального окисления в клетке протекают как в водной, так и в липидной ее фазах (ПОЛ), поэтому водо- и липидорастворимые витамины для проявления антиоксидантного действия должны назначаться только совместно. 2. Примером второго типа межвитаминных взаимодействий может служить особая роль рибофлавина в реализации функций других витаминов. Поскольку витамин В2 необходим для образования активных форм витаминов В6, В9, Д и синтеза ниацина из триптофана, его дефицит неизбежно нарушит функцию других витаминов и приведет к развитию их вторичного дефицита даже при достаточном поступлении с пищей. Витамины С и В12 способствуют образованию коферментной формы фолиевой кислоты, при их недостатке нарушатся многообразные функции фолатов. 3. Примеры взаимодействия третьего типа особенно многочисленны, так как большинство функций клетки обеспечивается синергичной «работой» нескольких витаминов. Так, пролиферативная активность клеток крови 27 поддерживается витаминами В9, В12, В6, С; образование родопсина в сетчатке глаза — витаминами А, В2, В6, РР; регуляция проницаемости капилляров — витаминами С и Р. Витамины могут быть по отношению друг к другу не только синергистами, но и антагонистами. Антагонистами являются тиамин и пиридоксин; при фосфорилировании и образовании активной формы одного из них (например, тиаминпирофосфата) подавляется фосфорилирование другого (пиридоксальфосфата). Существует и прямой антагонизм, например, витамина РР и цианкобаламина; витамины — доноры метильных групп (кобаламин) и их акцепторы (ниацин, который подвергается метилированию при его метаболизме в печени) противоположно действуют на образование печенью липопротеинов. Антивитамины. Антивитамином следует считать отнюдь не каждое вещество, разрушающее витамин либо препятствующее его действию (например, аскорбатоксидаза или тиаминаза, разрушающие соответствующие витамины, не являются истинными антивитаминами, равно как и авидин - белок, связывающий биотин и прекращающий его всасывание). Антивитаминами называют аналоги витаминов, действующие как антикоферменты. Обычно это производные витаминов, но они не способны выполнять их функции в ферментативных реакциях. Специфическое антикоферментное действие антивитаминов позволило широко использовать их в лечебной практике: противотуберкулезные препараты — гидразиды изоникотиновой кислоты -включаются вместо витамина РР в структуру NAD и NAD-Н, при этом коферменты теряют свою способность участвовать в метаболизме тех клеток, в которые способен проникать антивитамин (в туберкулезную палочку, например); антидепрессанты — аминазин, в частности, — подавляют утилизацию витамина В2, нарушая синтез его коферментной формы; 28 противораковые препараты — аминоптерин, метотрексат - вытесняют фолиевую кислоту из фолатзависимых ферментов, блокируя тем самым синтез нуклеиновых кислот и размножение клеток; сульфаниламиды включаются вместо ПАБК в структуру фолиевой кислоты и нарушают функцию последней; кумарины — дикумарол, тромексан — замещают витамин К в реакциях превращения неактивных факторов свертывания крови в активные, благодаря этим свойствам кумарины применяются для лечения гиперкоагуляционных и претромботических состояний. Макро- и микроэлементы Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку и животным кроме витаминов необходим также целый ряд неорганических элементов. Эти элементы можно разделить на два класса: макроэлементы и микроэлементы. Макроэлементы, к которым относятся кальций, магний, натрий, калий, фосфор, сера и хлор, требуются организму в относительно больших количествах (порядка нескольких граммов в сутки). Часто они выполняют более чем одну функцию. Например, кальций служит структурным компонентом неорганического вещества костей гидроксиапатита, состав которого можно приблизительно описать формулой [Са3(РО4)2]3. Вместе с тем ионы Са2+ играют роль очень важных регуляторов в цитозоле клетки, где их концентрация составляет менее 10 -6 М. Фосфор в форме фосфата представляет собой необходимый компонент внутриклеточной АТР-зависимой системы переноса энергии. Более непосредственное отношение к действию ферментов имеют незаменимые микроэлементы, суточная потребность в которых не превышает нескольких миллиграммов или микрограммов, т.е. сопоставима с потребностью в витаминах. Известно, что в пище животных обязательно должно содержаться около 15 микроэлементов. Большинство незаменимых микроэлементов кофакторов или простетических групп ферментов. 29 служит в качестве Микроэлементы и их биологические функции Элемент Примеры биохимических функций Железо Простетическая группа гемсодержащих ферментов (каталазы, цитохромоксидазы) Иод Необходим для синтеза гормонов щитовидной железы Медь Простетическая группа цитохромоксидазы Марганец Кофактор аргиназы и других ферментов Цинк Кофактор дегидрогеназы, ДНК-полимеразы, карбоангидразы Кобальт Компонент витамина В12 Молибден Кофактор ксантиноксидазы Селен Кофактор глутатионпероксидазы и других ферментов Ванадий Кофактор нитратредуктазы Никель Кофактор уреазы Функции микроэлементов 1. Незаменимый микроэлемент сам по себе может обладать каталитической активностью по отношению к той или иной химической реакции, скорость которой в значительной степени возрастает в присутствии ферментного белка. Это особенно характерно для ионов железа и меди. 2. Ион металла может образовать комплекс одновременно и с субстратом и с активным центром фермента, в результате оба они сближаются друг с другом и переходят в активную форму. 30 3. Ион металла может играть роль мощного акцептора электронов на определенной стадии каталитического цикла. Ферменты, для активности которых необходимы ионы металлов, часто называются металлоферментами. Методические указания к выполнению заданий Модуля 2 При выполнении заданий Модуля 2 необходимо повторить материал предыдущего раздела (белки и ферменты), выучить химические формулы витаминов и их коферментые формы. Расчетные задачи приведенные во втором блоке такого же типа как и в предыдущем разделе, приведены для повторения и закрепления материала по фукционированию ферментов и их коферментных составляющих. ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ МОДУЛЯ №2 Блок 1. Теоретические задания с выбором ответов. За любое правильно решенное задание Блока 1 студент получает один балл. Число заданий в Блоке 1 - четыре. Выберите наиболее правильный, по Вашему мнению, вариант ответа и отметьте его любым значком в бланке ответов. 1. Это кольцо обнаружено в соединении: 1) FMN 2) NAD 3) Гем 4) FAD 2. Пиридоксин катализирует реакции 1) Декарбоксилирования α- 2) Дезаминирования кетокислот 3) Переаминирования 4) Окислительно-восстановительные 3. Биотин входит в активный центр фермента: 1) дегидрогеназы 2) декарбоксилазы 3) трансферазы 4) карбоксилазы 4. Металлосодержащие витамины: 1) 3) В1 В12 В2 Пантотеновая кислота 2) 4) Бланк ответов 31 № 1) 2) 3) 4) 1 2 3 4 Блок 2. Задачи с выбором ответов. За любое правильно решенное задание Блока 2 студент получает два балла. Число задани й в Блоке 1 - три. В бланке ответов в графе правильного ответа привести название витамина или биометалла, входящего в состав активного центра ферментов. 1. 1 мг фермента сукцинатдегидрогеназы за 5 мин катализирует окисление янтарной кислоты с образованием 10 мкмоль фумаровой при 37°С и рН 7,0. Рассчитайте удельную активность фермента в оптимальных условиях. Укажите какой кофермент или кофактор входит состав активного центра этого фермента. 1) 2 мкмоль/мг∙мин 2) 0,2мкмоль/мг∙мин 3) 0,5мкмоль/мг∙мин 4) 50 мкмоль/мг∙мин 2. Гутаминовая кислота взаимодействует с пировиноградной с образованием αкетоглутаровой и аланина. С участием какого кофермента протекает данная реакция? Рассчитайте активность фермента, если за 15 сек 1 мг фермента превращает 20 мкмоль пирувата при оптимальных условиях. 1) 80 мкмоль/мин 2) 300мкмоль/мин 3) 1,33 мкмоль/мин 4) 5 мкмоль/мг∙мин 3. При карбоксилировании пирувата, образуется оксалоацетат. Какой витамин входит в состав кофермента, катализирующего данное превращение. Сколько молекул АТФ участвует в данном превращении? 1) 0 2) 2 3) 1 4) 3 Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 32 3 4 Блок 3. Задания с развернутым ответом. Студент должен записать ответ в развернутой форме и в зависимости от полноты решения и его правильности могут оцениваться от одного до пяти баллов. Число заданий в Блоке 3 - девять. 1. Весной у многих людей развивается гиповитаминоз, обусловленный снижением в пище количества витаминов В1, В2, РР. Наиболее характерными признаками этих гиповитаминозов являются сонливость и повышенная утомляемость. Объясните, почему дефицит этих витаминов может привести к таким состояниям. Какие химические превращения в организме будут затруднены при дефиците указанных витаминов? 2. Схема каких превращений глутаминовой кислоты может быть нарушена HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH 3 HOOC-CH2-CH2-CH2-NH2 2 1 HOOC-CH2-CH2-C-COOH HOOC-CH2-CH2-C-COOH O NH при дефиците витаминов тиамина, пиридоксина или ниацина? 3. Рассмотрите схему ферментативной реакции. Сравните структурные формулы субстрата и продукта: +2H CH3-C-COOH O CH3-CH-COOH - 2H OH А. Назовите класс фермента, катализирующего данную реакцию. Б. С участием какого кофермента протекает реакция? Напишите формулу витамина, входящего в его состав В. Рассчитайте удельную активность фермента, если за 30 с 1 мг фермента при оптимальных условиях инкубации (рН 7,2; 37°С) превращает 50 мкмоль пирувата. 4. Полиневрит у голубей. В ставших классическими экспериментах голуби, содержавшиеся на экспериментальной диете, утрачивали координацию движений и способность удерживать свое тело в равновесии. Уровень 33 пирувата в крови и мозгу этих птиц значительно превышал нормальный. Такое состояние проходило, если голубям давали мясо. Объясните эти наблюдения. 5. Потребность в никотиновой кислоте. Недостаток никотиновой кислоты в пище приводит к заболеванию - пеллагре. Суточная потребность взрослого человека в никотиновой кислоте, составляющая 7,5 мг, уменьшается, если в пище содержится большое количество аминокислоты триптофана. Что можно сказать о взаимосвязи между никотиновой кислотой и триптофаном на основе этого наблюдения? 6. Яичные белки предохраняют желтки от порчи. Яйца можно держать в холодильнике от четырех до шести недель, не опасаясь, что они испортятся. Если же отделить яичные желтки от белков, тс быстро испортятся даже при низкой температуре. а) Почему портятся желтки? б) Как вы объясните тот факт, что на яичных белков предотвращает желтков? в) Какую пользу с биологической зрения приносит птицам такой способ защиты яиц? 7. Периодичность применения витаминов. Витамины А и В можно применять сразу за один прием в таком количестве, которого достаточно для поддержания их нормального уровня в течение нескольких недель; витамины же группы В необходимо принимать значительно чаще. Почему? 8. Метилмалоновая кислота в моче. У больного с клиническими проявлениями ацидоза (снижение рН крови и мочи) в моче были обнаружены значительные количества метилмалоновой кислоты. Известно, что при скармливании здоровым животным метилмалоновой кислоты она превращается в янтарную кислоту. Как вы объясните эти наблюдения? Для ответа на вопрос необходимо привести схему указанного превращения и определить с участием какого витамина происходит данная реакция. 9. Почечная остеодистрофия. У больных с поврежденными почками, несмотря на нормально сбалансированную диету, часто развивается почечная остеодистрофия - рахитоподобное заболевание, сопровождающееся интенсивной деминерализацией костей. Какой витамин участвует в 34 минерализации костей? Почему повреждение почек приводит к деминерализации? Проектное задание 1. Используя данные нижеприведенной таблицы рассчитайте свой суточный рацион с учетом потребности в витамине А В соответствии с существующими рекомендациями потребность в витамине А, составляющая 1 мг, может на 40% покрываться за счет ретинола и на 60% — за счет провитамина А — β-каротина. Исходя из этого, в данной таблице приведены количества продуктов, обеспечивающие 40% суточной потребности в витамине А за счет ретинола, т. е. 0,4 мг. В следующей таблице приведены данные о количествах продуктов, обеспечивающих 60% суточной потребности в витамине А за счет β-каротина, т. е. 3,6 мг βкаротина (биологическая активность β-каротина составляет 1/6 активности ретинола). Содержание витамина А в основных продуктах питания Содержание витамина А в продуктах, мг ретинола/ 100 г 2 Количество продукта, обеспечивающего 40% суточной потребности в форме ретинола (0,4 мг) 3 Свежая рыба Икра зернистая Печень трески (консервы) Мясо и мясные продукты Печень (говяжья, свиная, птицы) 0,01-0,1 0,2-1,0 5-15 0,4—4 кг 25-200 г 3-8 г 4-8 Мясо, колбасы следы 5-10 г (с учетом потерь при приготовлении) — Яйца куриные Молоко и молочные продукты Молоко цельное, пастеризованное Кисломолочные продукты 0,25 4 шт. 0,03 0,03 1,5л 1,5л 1 Рыба и рыбные продукты 35 Сливки 10% жирности Творог жирный нежирный Сыр Масло сливочное крестьянское бутербродное Маргарин Солнечный Сливочный Обогащенный витамином А Здоровье, экстра 0,06 0,1 0,01 0,1-0,3 0,6-0,8 0,4 0,4 0,6-0,7 л 0,4 кг 4 кг 150-400 г 60-70 г 100 г 100 г следы 0,02 — 200 г 1,5-3,0 15-30 г Хлеб и хлебобулочные изделия, овощи, фрукты и ягоды, растительное масло практически не содержат витамина А. Содержание β-каротина в основных продуктах питания 1 Плодоовощная продукция Содержание Количество продукта, каротина обеспечивающего в продукте, 60% суточной потребности мг/100 г в витамине А (3,6 мг β-каротина) 2 3 Морковь красная свежая тушеная Петрушка (зелень) Укроп Шиповник Лук (перо) Перец красный зеленый Салат Абрикосы Облепиха Помидоры Горошек зеленый Картофель, свекла, капуста, яблоки, цитрусовые и др. Молоко и молочные продукты 36 9,0 8,0 5,7 4,0 2,6 2,0 2,0 1,0 1,75 1,60 1,50 1,20 0,40 40 г 45 г 60 г 90 г 140 г 180 г 180 г 360 г 200 г 225 г 240 г 300 г 0,9 кг 0,01-0,05 6-36 кг Масло сливочное В других 1 кг 0,30-0,40 молочных продуктах, яйцах, рыбе содержание каротина незначительно. Хлебобулочные изделия, крупа, мясные продукты, растительное масло практически не содержат β-каротина. Модуль 3 Липиды и мембраны Комплексная цель модуля Углубить и систематизировать знания о строении липидов и их биохимических функциях. Дать понятие о строении и функционировании мембран клеток. Содержание модуля Липиды в организме животных играют огромную роль как источник энергии. При их окислении выделяется в два раза больше тепла, чем при окислении белков и углеводов. Они являются источником воды в организме, являются хорошими растворителями жирорастворимых витаминов и др. В тканях животных липиды находятся как в свободном виде, так и в соединениях с белками, углеводами и даже между собой. Строение и классификация липидов По химическому строению липиды являются производными жирных кислот, спиртов, альдегидов, построенных с помощью сложноэфирной, простой эфирной, фосфоэфирной, гликозидной связей. Липиды делят на две основные группы: простые и сложные липиды. К простым нейтральным липидам (не содержащим атомов азота, фосфора, серы) относят производные высших жирных кислот и спиртов: глицеролипиды, воски, эфиры холестерина, гликолипиды и другие соединения. Существуют и другие классификации липидов. В эту же группу органических соединений включают изопреноиды (терпены и их производные) и стероиды. Молекулы сложных липидов содержат в своем составе не только остатки высокомолекулярных карбоновых кислот, но и фосфорную или серную кислоты. 37 По строению и способности к гидролизу липиды разделяют на омыляемые и неомыляемые. Омыляемые липиды при гидролизе образуют несколько структурных компонентов, а при взаимодействии с щелочами — соли жирных кислот (мыла). Наиболее важная и распространенная группа простых нейтральных липидов — ацилглицерины. Ацилглицерины (или глицериды) — это сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Они составляют основную массу липидов (иногда до 95%) и, по существу, именно их называют жирами или маслами. В состав жиров входят, главным образом, триацилглицерины, а также диацилглицерины и моноацилглицерины. Триацилглицерины, молекулы которых содержат одинаковые остатки жирных кислот, называются простыми, в противном случае — смешанными. Природные жиры и масла содержат, главным образом, смешанные триацилглицерины. Чистые ацилглицерины — бесцветные вещества без вкуса и запаха. Окраска, запах и вкус природных жиров определяются наличием в них специфических примесей, характерных для каждого вида жира. Температуры плавления и застывания ацилглицеринов не совпадают, что обусловлено наличием нескольких кристаллических модификаций. Температура плавления триацилглицеринов, содержащих остатки трансненасыщенных кислот, выше, чем у ацилглицеринов, содержащих остатки цис-ненасыщенных кислот с тем же числом атомов углерода. Ненасыщенные природные жирные кислоты имеют цис-конфигурацию, придающую углеводородной цепи укороченный и изогнутый вид, что имеет важное биологическое значение. Каждое масло характеризуется специфическим коэффициентом преломления (тем больше, чем выше ненасыщенность жирных кислот, входящих в его состав, и молекулярная масса). Все природные жиры содержат один и тот же спирт — глицерин, и наблюдаемые различия в биохимических и физико-химических свойствах между жирами обусловлены строением боковых радикалов – остатков 38 жирных кислот. В настоящее время известно свыше 800 природных жирных кислот. Для обозначения жирных кислот в биохимии принято использовать упрощенные числовые символы, которые задают параметры химического строения кислоты, а именно: первое число — это число атомов углерода в ее молекуле, число после двоеточия — это число двойных связей, а числа в скобках указывают на атомы углерода, при которых располагается двойная связь. Например, числовой код молекулы олеиновой кислоты — 18:1 (9) означает, что в ее состав входит 18 атомов углерода и имеется одна двойная связь, расположенная между 8-м и 9-м атомами углерода. Жирные кислоты, встречающиеся в составе природных липидов, как правило, содержат четное число атомов углерода, имеют неразветвленное строение и подразделяются на насыщенные, моно- и полиненасыщенные. Из насыщенных жирных кислот наиболее часто встречаются пальмитиновая, стеариновая и арахиновая кислоты; из мононенасыщенных — олеиновая, а из полиненасыщенных — линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты. Содержание ненасыщенных жирных кислот в природных триацилглицеринах выше, чем насыщенных. В связи с тем что в отличие от насыщенных ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления, содержащие их нейтральные жиры остаются жидкими ниже при температуре ниже 5°С. Поэтому преобладание в нейтральных жирах ненасыщенных жирных кислот особенно полезно для организмов, существующих в условиях низких температур. Ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая) преобладают также в растительных жирах, называемых маслами. За счет высокого содержания насыщенных жирных кислот животные жиры при комнатной температуре имеют твердую консистенцию. Для характеристики свойств жира используют такие константы (жировые числа), как кислотное число, йодное число и др. Кислотное число определяется массой КОН (мг), которая необходима для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1г жира. 39 Кислотное число является важным показателем качества природных жиров: его увеличение при хранении жировых продуктов свидетельствует о происходящих в жире процессах гидролиза. Йодное число — масса йода (мг), связываемая 100 г жира, — дает представление о содержании в жире ненасыщенных жирных кислот. Под действием света, кислорода воздуха и влаги, при контакте с металлическими поверхностями жиры в процессе хранения подвергаются окислению и гидролизу и приобретают неприятный вкус и запах (прогоркание) за счет образования альдегидов и кислот с короткими цепями, например масляной кислоты. Процесс прогоркания предотвращают добавлением антиоксидантов, наиболее активным и нетоксичным из которых является витамин Е. Воски. Воски — продукты различного происхождения, которые присутствуют в организмах животных, в микроорганизмах и растениях. Воски состоят главным образом из сложных эфиров высших насыщенных и ненасыщенных монокарбоновых кислот и высших одно- или многоатомных спиртов жирного (реже ароматического) ряда, причем и кислоты, и спирты обычно содержат четное число атомов углерода (16 — 36). Кроме того, воски могут содержать небольшое количество свободных жирных кислот, многоатомных спиртов, насыщенных углеводородов, душистых и красящих веществ. Сложные эфиры восков подвергаются омылению труднее, чем жиры. Воски подразделяются на растительные и животные. У многих растений воски составляют 80 % всех липидов. Растительные воски обычно содержат помимо эфиров с большой молекулярной массой еще и значительное количество насыщенных углеводородов. Покрывая тонким слоем листья, стебли и плоды, воски защищают растения от вредителей и болезней, а также от лишней потери воды. Растительные воски применяются в фармакологии, технике, а также в бытовых и косметических целях. 40 Животные воски используются в фармакологии и косметологии для приготовления различных кремов и мазей, а также для изготовления кремов для обуви. Сложные омыляемые липиды Сложные омыляемые липиды подразделяют на фосфо-, сфинго- и и гликолипиды. Сложные омыляемые липиды являются сложными эфирами глицерина или сфингозина и жирных кислот. В отличие от простых липидов в молекулах сложных липидов присутствуют остатки фосфорной кислоты или углеводов. Сложные омыляемые липиды — это эффективные поверхностно-активные вещества, содержащие одновременно как гидрофобные, так и гидрофильные фрагменты. Фосфолипиды. Природные фосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты H2C-O-COR1 HC-O-COR2 H2C-O-PO3H H2C-O-COR1 Главными представителями природных фосфолипидов HC-O-COR2 являются фатидилэтаноламин (кефалин) - Х — остаток H2C-O-PO3X этаноламина), фосфатидилхолин (лецитин) - Х — остаток холина), фосфатидилсерин Х — остаток серина и фосфатидилинозит - Х — остаток инозита. Фосфолипиды составляют основу липидного бислоя биологических мембран и очень редко встречаются в составе запасных отложений жиров. Преимущественное участие фосфолипидов в формировании клеточных мембран объясняется их способностью выступать в роли поверхностноактивных веществ и образовывать молекулярные комплексы с белками — хиломикроны, липопротеины. В результате межмолекулярных взаимодействий, удерживающих друг возле друга углеводородные радикалы, образуется внутренний гидрофобный слой мембраны. Полярные фрагменты, расположенные на внешней поверхности мембраны, образуют гидрофильный слой. Благодаря полярности молекул 41 фосфолипидов обеспечивается односторонняя проницаемость клеточных мембран. В связи с этим фосфолипиды широко распространены в растительных и животных тканях, особенно в нервной ткани человека и позвоночных животных. В микроорганизмах они являются преобладающей формой липидов. Все перечисленные свойства фосфолипидов обусловливают эффект снижения пограничного натяжения на внутренних стенках альвеол, что облегчает диффузию молекулярного кислорода и способствует его проникновению через клеточные мембраны и последующему присоединению к гемоглобину. Альвеолы клетки синтезируют и продуцируют специфическую слизь, которая состоит из 10 % белков и 90 % фосфолипидов, гидратированных водой. Эту смесь называют «легочный сурфактант». Фофатидилхолшы в большом количестве содержатся в желтках яиц птиц (по этой причине и получили свое название лецитины от греч.— желток), в мозговой ткани человека и животных, в соевых бобах, семенах подсолнечника, зародышах пшеницы. Причем холин (витаминоподобное соединение) может присутствовать в тканях и в свободном виде, выполняя роль донора метальных групп в процессах синтеза различных веществ, например метионина. Поэтому при недостатке холина наблюдается нарушение обмена веществ, которое приводит, в частности, к жировому перерождению печени. Производное холина — ацетилхолин — является медиатором нервной системы. Фосфатидилхолины широко используются в медицине при лечении заболеваний нервной системы, в пищевой промышленности как биологически активные добавки (в шоколад, маргарин), а также в качестве антиоксидантов. Фосфатидилинозиты представляют интерес как предшественники простагландинов — биохимических регуляторов; особенно высоко их содержание в нервных волокнах спинного мозга. Инозит, как и холин, является витаминоподобным соединением Сфинголипиды – структурные аналоги фосфолипидов содержат вместо глицерина ненасыщенный двухатомный аминоспирт сфингозин или его насыщенный аналог дигидросфингозин. В сравнении с фосфолипидами 42 сфинголипиды более устойчивы к действию окислителей. Они нерастворимы в эфире, что используется при их отделении от фосфолипидов. Сфинголипиды входят в состав мембран растительных и животных клеток, особенно богата ими нервная ткань. Гликолипиды. Гликолипиды могут быть сложными эфирами как глицерина — гликозилдиацилглицерины, так и сфингозина — гликосфинголипиды. В состав молекул гликолипидов входят остатки углеводов, чаще D-галактоза. Гликозилдиацилглицерины содержат один или два остатка моносахарида (D-галактоза или D-глюкоза), связанные с ОНгруппой глицерина β-гликозидной связью. Гликозилдиацилглицерины были выделены из листьев растений (по-видимому, они специфически связаны с хлоропластами), где их концентрация примерно в 5 раз превышает концентрацию фосфолипидов в фотосинтетических бактериях. В животных тканях соединения подобного рода не обнаружены. Гликосфинголипиды содержат один или несколько остатков углеводов, и в зависимости от их числа различают цереброзиды и ганглиозиды. Из жирных кислот, обнаруженных в цереброзидах, чаще всего встречаются нервоновая, цереброновая и лигноцериновая (С24). Цереброзидсульфатиды — производные цереброзидов, образующиеся при их этерификации серной кислотой по третьему атому углерода гексозы, присутствуют в белом веществе мозга. Ганглиозиды в отличие от цереброзидов имеют более сложное строение: их молекулы содержат гетероолигосахариды, образованные остатками β-глюкозы, β-галактозы, N-ацетилглюкозамина и N-ацетилнейраминовой кислоты. Все ганглиозиды являются кислыми соединениями и так же, как и цереброзиды, активно участвуют в контроле и регуляции межклеточных контактов, рецепции пептидных гормонов, вирусов, бактериальных токсинов. В связи с тем что структура и состав ганглиозидов контролируются генетически, они обладают высокой тканевой специфичностью и выполняют функции антигенов клеточных поверхностей. 43 Неомыляемые липиды Стероиды. К стероидам относится обширный класс природных веществ, в основе молекул которых лежит конденсированный остов, называемый стераном: Наиболее распространенным среди многочисленных биологических соединений стероидной природы является холестерин. Холестерин — одноатомный спирт (холестерол), проявляет свойства вторичного спирта и алкена. Около 30 % холестерина в организме содержится в свободном виде, остальное количество — в виде ацилхолестеринов, т. е. сложных эфиров холестерина и высших карбоновых кислот, как насыщенных (пальмитиновой и стеариновой), так и ненасыщенных (линолевой, арахидоновой и др.): Общее содержание холестерина в организме человека составляет 210 — 250 г. В больших количествах он содержится в головном и спинном мозге, является компонентом биомембран. Важнейшая биохимическая функция холестерина обусловлена тем, что он играет роль промежуточного продукта в синтезе многих соединений стероидной природы: в плаценте, семенниках, желтом теле и надпочечниках происходит превращение холестерина в гормон прогестерон, который является начальным субстратом сложной цепи биосинтеза стероидных половых гормонов и кортикостероидов. Другие пути использования холестерина в организме связаны с Образованием витамина D 44 и необходимых для пищеварения дезоксихолевой. В организме желчных холевая кислот — кислота, холевой образуя и 7- амиды по карбонильной группе с глицином и таурином, превращается в глицинхолевую и таурохолевую кислоты. Анионы этих кислот являются эффективными поверхностно-активными веществами. В кишечнике они участвуют в процессах эмульгирования жиров и тем самым способствуют их всасыванию и перевариванию. Желчные кислоты используют в качестве лекарственных препаратов, предотвращающих образование и растворение уже имеющихся желчных камней, которые состоят из холестерина и билирубина. Транспорт нерастворимых в жидкостях организма липидов, в том числе и холестерина, осуществляется в составе особых частиц — липопротеинов, представляющих собой сложные по составу комплексы с белками. В крови обнаружено несколько форм липопротеинов, которые различаются плотностью хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (ЛОНП), липопротеины низкой плотности (ЛНП) и липопротеины высокой плотности (Л ВП). Липопротеины гидрофильная представляют поверхность собой которых сферические представляет частицы, собой слой ориентированных фосфолипидов и белков, а ядро образовано гидрофобными молекулами ацилглицеринов и эфиров холестерина. Триацилглицерины и холестерин под действием ферментов (например, липопротеинлипаза) высвобождаются из хиломикронов и затем потребляются жировой тканью, печенью, сердцем и другими органами. При некоторых нарушениях обмена веществ или высоких концентрациях холестерина в крови повышается концентрация ЛОНП и ЛНП, что ведет к их агрегации и отложению на стенках сосудов (атеросклероз), в том числе в артериях сердечной мышцы (ишемическая болезнь сердца и инфаркт миокарда). Мембраны 45 Основная часть липидов в мембранах представлена фосфолипидами, гликолипидами и холестерином. Липиды мембран имеют в структуре две различные части: гидрофильную называют неполярный «голову». Такую амфифильной. гидрофобный двойственную Липиды мембран «хвост» и природу образуют полярную соединений двухслойную структуру. Каждый слой состоит из сложных липидов, расположенных таким образом, что неполярные гидрофобные «хвосты» молекул находятся в тесном контакте друг с другом. Так же контактируют гидрофильные части молекул. Все взаимодействия имеют нековалентный характер. Два монослоя ориентируются «хвост к хвосту» так, что образующаяся структура двойного слоя имеет внутреннюю неполярную часть и две полярные поверхности. Белки мембран включены в липидный двойной слой двумя способами: 1) связаны с гидрофильной поверхностью липидного бислоя — поверхностные мембранные белки 2) погружены в гидрофобную область бислоя — интегральные мембранные белки. Поверхностные белки своими гидрофильными радикалами аминокислот связаны нековалентными связями с гидрофильными группами липидного бислоя. Интегральные белки различаются по степени погруженности в гидрофобную часть бислоя. Они могут располагаться по обеим сторонам мембраны и либо частично погружаются в мембрану, либо пронизывают мембрану насквозь. Погруженная часть интегральных белков содержит большое количество аминокислот с гидрофобными радикалами, которые обеспечивают гидрофобное взаимодействие с липидами мембран. Гидрофобные взаимодействия поддерживают определенную ориентацию белков в мембране. Гидрофильная выступающая часть белка не может переместиться в гидрофобный слой. Часть мембранных белков ковалентно связана с моносахаридными остатками или олигосахаридными цепями и представляет собой гликопротеины. 46 Подвижность (жесткость) и текучесть мембран также зависят от ее состава. Повышенная жесткость обусловлена увеличением соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, а также холестерина. Физические свойства мембран зависят от расположения белков в липидном слое. Липиды мембран способны к диффузии в пределах слоя параллельно поверхности мембраны (латеральная диффузия). Белки тоже способны к латеральной диффузии. Поперечная диффузия в мембранах сильно ограничена. Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами обеспечивается мембранами. Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью некоторые соединения могут проникать через нее, а другие — нет. Одна из главных функций мембран — регуляция переноса веществ. Существует два способа переноса веществ через мембрану: пассивный и активный транспорт. Пассивный транспорт. Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией к области с низкой концентрацией (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией. Активный транспорт. Такой транспорт имеет место в случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Он требует затраты энергии клеткой и участия мембранных белков. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na + и К+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+—К+-насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация ионов К+ выше, чем ионов Na+. Симпорт — это активный перенос вещества через мембрану. Он осуществляется за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТРаза в этом случае имеет центры связывания для обоих 47 веществ. Антипорт — это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации. Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи, при этом используется энергия градиента концентрации ионов Na +, создаваемого Na +, К+ -АТРазой. Методические указания к выполнению заданий Модуля 3 Необходимо выписать и выучить формулы основных фосфолипидов, холестерина и жирных кислот, входящих в состав липидов, выделив среди последних незаменимые Необходимо уметь (линолевая, писать линоленовая уравнения и арахидоновая). гидролиза, гидрирования, переэтерификации и окисления липидов. Эти реакции рассматриваются в общем курсе органической химии., т.е. необходимо повторить соответствующие разделы органической химии. Примеры решения типовых задач Модуля 3 Пример 1. Как будет заряжен фосфатидилэтаноламин (кефалин) при рН=14. Решение. Необходимо написать структурную формулу этого липида в нейтральной среде, затем в щелочной и определить суммарный заряд молекулы при указанном значении Рн. В нейтральной среде кефалин существует в виде: H2C-O-COR1 H2C-O-COR1 HC-O-COR2 HC-O-COR2 H2COP(O)-OCH2NH2 + H2COP(O)-OCH2NH3 OH O- В щелочной среде: H2C-O-COR1 HC-O-COR2 H2COP(O)-OCH2NH2 O- 48 Следовательно, суммарный заряд молекулы будет равен -1. ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ МОДУЛЯ №3 Блок 1. Теоретические задания с выбором ответов. За любое правильно решенное задание Блока 1 студент получает один балл. Число заданий в Блоке 1 - четыре. Выберите наиболее правильный, по Вашему мнению, вариант ответа и отметьте его любым значком в бланке ответов. 1. В зависимости от химического состава липиды подразделяют на: 1) Низкомолекулярные и 2) Ациклические и циклические высокомолекулярные 3) Насыщенные и 4) Омыляемые и неомыляемые ненасыщенные 2. Простые липиды это: 1) Простые эфиры 2) Сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот 3) Сложные эфиры спиртов 4) Сложные эфиры углеводовов и и карбоновых кислот карбоновых кислот 3. Фосфолипиды это: 1) Производные 2) Сложные липиды, образованные фосфатидной кислоты спиртом, жирной кислотой, фосфорной кислотой и азотистым основанием 3) Производные глицеро-3 4) Четырехкомпонентные системы фосфата 4. Особенности высших жирных кислот(ВЖК) в организме 1) 3) Все ненасыщенные жирные кислоты имеют транс-конфигурацию Все ВЖК содержат нечетное число атомов углерода 2) Все ненасыщенные жирные кислоты имеют цис-конфигурацию 4) Все ВЖК имеют разветвленный углеводородный радикал Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 Блок 2. Задачи с выбором ответов. 49 3 4 За любое правильно решенное задание Блока 2 студент получает два балла. Число заданий в Блоке 1 – три. 1. Как будет заряжен при рН фосфатидилсерин 1) 0 2) +1 3) -1 4) -2 2. Как будет заряжен при рН фосфатидилхолин 1) 0 2) +1 3) -1 4) -2 3. Как будет заряжен при рН 7,0 триолеин 1) 0 2) +1 3) -1 4) 7,0 7,0 +2 Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 3 4 Блок 3. Задания с развернутым ответом. Студент должен записать ответ в развернутой форме и в зависимости от полноты решения и его правильности могут оцениваться от одного до пяти баллов. Число заданий в Блоке 3 – восемь. 1. В процессе приготовления майонеза фосфатидилхолин (лецитин) из яичных желтков переходит в растительное масло, что стабилизирует соус и не позволяет ему расслаиваться. Объясните, почему это происходит. 2. Некоторые из применяемых в кулинарии жиров, например, сливочное масло, быстро портятся при хранении на воздухе при комнатной температуре, тогда как свойства твердых жиров типа маргарина в аналогичных условиях меняются мало. Почему? 3. Назовите продукты, образующиеся при мягком гидролизе разведенным раствором едкого натрия следующих соединений: а) 1 -стеароил-2,3-дипальмитоилглицерол, б) 1 -пальмитоил-2-олеилфосфатидилхолин. 50 Какие продукты получатся при воздействии концентрированного раствора щелочи? 4. В отличие от цитоплазматических белков многие включенные в мембрану белки практически не поддаются экстракции из мембраны в водный раствор. Тем не менее такие белки удается все же отделить от мембраны и получить в растворенном виде, если в раствор, используемый для экстракции, добавить додецилсульфат натрия или какой-либо другой детергент. На чем основан этот прием? 5. У экспериментального животного определяли разницу в концентрации жирных кислот в крови, поступающей в интенсивно работающую скелетную мышцу, и в крови, оттекающей от этой мышцы, на 1-й и 30-й минуте работы. В каком случае эта разница будет больше? Ответ аргументируйте. 6. Некоторые лекарственные препараты — кофеин и теофиллин угнетают действие фермента фосфодиэстеразы. Как может измениться количество жирных кислот в крови при введении этих препаратов? 7. Человек получил 250 г углеводов за один прием пищи и в течение 2 ч не совершал физической работы. Какой процесс — синтез или распад жирных кислот будет активироваться в печени через 2 ч после еды? 8. Опишите физические свойства и возможные химические превращения ацилглицеринов. Дайте определения реакциям гидролиза, гидрогенизации и переэтерификации масел и жиров. Проектное задание 1. Определите понятие «окисление жиров». Опишите предполагаемый механизм окисления и укажите факторы, которые могут влиять на скорость окисления. 51 Модуль 4 Углеводы Комплексная цель модуля Сформировать представление о функциях углеводов в живом организме. Дать представление о метаболических превращениях на примере гликолиза – одного из центральных метаболических путей у большинства организмов. Содержание модуля Углеводы широко распространены в живых организмах. В биосфере углеводов больше, чем всех других вместе взятых природных органических соединений. В растительном мире на их долю приходится 80 — 90 %(мас.) в расчете на сухое вещество, в животном — около 2 %(мас.). Углеводы, образующиеся в растениях, переходят в организмы животных с растительной пищей. Массовая доля углеводов в пище человека может достигать 70 %. В процессе пищеварения углеводы подвергаются разложению с участием специфических ферментов; конечными продуктами данного процесса являются диоксид углерода и вода. Большая распространенность углеводов в живой природе объясняется их важными биологическими функциями: энергетической, пластической, защитной, опорной и др. Энергетическая функция углеводов как незаменимых факторов питания заключается в том, что углеводы являются главным источником, который снабжает организм человека энергией для совершения внутренней и внешней работы. Примерно 50 — 60 % всей потребности организма в энергии удовлетворяется за счет углеводов: 1 г усвояемых организмом человека углеводов в результате биологического окисления дает -16,9 кДж энергии. Ведущая роль в энергетическом обмене организма принадлежит глюкозе. Пластическая функция углеводов связана с тем, что они активно используются в синтезе многих важных для организма веществ: нуклеиновых кислот, некоторых органических кислот, а из них — аминокислот и далее белков, липидов и других биологически значимых соединений. 52 Защитная функция углеводов проявляется в том, что они являются основными компонентами оболочек растительных клеток, участвуют в построении наружного скелета (внешней оболочки) насекомых и ракообразных, в образовании клеточных стенок бактерий и клеточных мембран всех живых организмов (в виде сложных молекулярных комплексов с белками). Опорная функция заключается в том, что целлюлоза и другие полисахариды оболочек растительных клеток образуют прочный остов растений, тем самым защищая их от внешних воздействий. В комплексе с белками углеводы входят в состав хрящевых тканей и других соединительных тканевых образований, выполняющих опорные функции у человека и животных. Кроме того, углеводы принимают активное участие во многих процессах жизнедеятельности. Углеводсодержащие соединения служат маркерами для узнавания молекулами и клетками друг друга, обеспечивая антигенную специфичность внутренних сред организма. Целлюлоза, не перевариваясь в желудочно-кишечном тракте животных, вызывает механическое раздражение кишечника и в результате способствует его перистальтике, улучшая тем самым пищеварение. Углеводы — источники энергии, необходимой для нормальной работы нервной системы. Например, ткань головного мозга в качестве энергетического материала использует преимущественно глюкозу (в количественном соотношении примерно в 2 раза больше, чем мышечная ткань, и в 3 раза больше, чем почки). От углеводов в определенной степени зависит нормальная деятельность поджелудочной железы и надпочечников. Некоторые углевод-содержащие биополимеры являются рецепторами для связывания различных токсинов, бактериальных клеток, вирусов, гормонов. Углеводы выполняют также функцию запасных питательных веществ: они способны откладываться в организме в виде полисахаридов — гликогена (у человека и животных), крахмала и фруктозанов (у растений), расходуются 53 организмом по мере необходимости. Некоторые сахариды, такие, как гепарин и гепарансульфат, выполняют кофакторные функции. Расщепление углеводов Суточная норма углеводов в пище составляет 400—500 г. Основными углеводами пищи являются следующие: 1) крахмал — разветвленный гомополисахарид из глюкозы. Мономеры линейных участков соединены α1,4-гликозидными связями, а в местах разветвления — а-1,6-связями; 2) дисахариды: сахароза [Глк-(α-1,2)-фру], лактоза [Гал-(β-1,4)-Глк], мальтоза [Глк-α-1,4)-Глк]. При переваривании углеводов в пищеварительном тракте происходят ферментативный гидролиз гликозидных связей и образование моносахаридов, главным из которых является глюкоза. Гидролиз крахмала начинается в полости рта при участии амилазы слюны, которая частично расщепляет внутренние α-1,4-гликозидные связи, образуя менее крупные, чем крахмал, молекулы — декстрины. Далее гидролиз крахмала продолжается в верхнем отделе кишечника под воздействием панкреатической амилазы, также расщепляющей α-1,4-гликозидные связи. В результате из крахмала образуются дисахаридные остатки мальтозы и изомальтозы [Глк-(α-1,6)-Глк]. Гидролиз всех дисахаридов происходит на поверхности клеток кишечника и катализируется специфическими ферментами: сахарозой, лактазой, мальтазой и изомалътазой. Эти гликозидазы синтезируются в клетках кишечника. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь осуществляется путем облегченной диффузии. Если концентрация глюкозы в кишечнике невелика, то ее транспорт может происходить за счет градиента концентрации ионов Na+ создаваемого Na+, К+-АТРазой. Метаболизм глюкозы Глюкоза играет главную роль в метаболизме, так как именно она является основным источником энергии. Глюкоза может превращаться практически во 54 все моносахариды, однако возможно и обратное превращение. Основные пути метаболизма глюкозы: - катаболизм глюкозы — гликолиз; - синтез глюкозы — глюконеогенез; - депонирование и распад гликогена; - синтез пентоз — пентозофосфатные пути. Транспорт глюкозы в клетки С кровью воротной вены большая часть глюкозы (около половины) из кишечника поступает в печень, остальная глюкоза через общий кровоток транспортируется в другие ткани. Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33—5,55 мкмоль/л, что соответствует 80— 100 мг в 100 мл крови. Транспорт глюкозы в клетки носит характер облегченной диффузии, но регулируется во многих клетках гормоном поджелудочной железы инсулином, действие которого приводит к перемещению белков-переносчиков из цитозоля в плазматическую мембрану. Затем с помощью этих белков глюкоза транспортируется в клетку по градиенту концентрации. Скорость поступления глюкозы в мозг и печень не зависит от уровня инсулина и определяется только концентрацией ее в крови. Эти ткани называются инсулинонезависимыми. Катаболизм глюкозы Гликолиз — это серия реакций, в результате которых глюкоза распадается на 2 молекулы пирувата (аэробный гликолиз) или 2 молекулы лактата (анаэробный гликолиз). Все 10 реакций гликолиза протекают в цитозоле и характерны для всех органов и тканей. Аэробный распад глюкозы включает реакции аэробного гликолиза и последующее окисление пирувата в реакциях катаболизма (см. рис.). Таким образом, аэробный распад глюкозы — это предельное ее окисление до СО2 и Н2О. Анаэробный гликолиз — это специфический путь катаболизма, т.е. часть аэробного распада глюкозы. Анаэробный распад включает те же реакции специфического пути распада 55 глюкозы до пирувата, но с последующим превращением пирувата в лактат (т.е. термины «анаэробный распад» и «анаэробный гликолиз» совпадают). Последовательность реакций гликолиза приведена на рисунке В гликолизе можно выделить три основных этапа. На I этапе превращениям подвергаются гексозы, на II — триозы, на III карбоновые кислоты. Характеристика гликолиза: - большинство реакций обратимо, за исключением трех (реакции 1, 3, 10); 56 - все метаболиты находятся в фосфорилированной форме; - источником фосфатной группы в реакциях фосфорилирования являются АТР (реакции 1 и 3) или неорганический фосфат (реакция 6); - регенерация NAD+, являющаяся необходимым условием протекания гликолиза, происходит при аэробном гликолизе посредством дыхательной цепи. В этом случае водород транспортируется в митохондрии с помощью челночного механизма при участии переносчиков. Это происходит потому, что мембрана митохондрий непроницаема для протонов. При анаэробном гликолизе регенерациz NAD+ осуществляется независимо от дыхательной цепи. В этом случае акцептором водорода от NADН является пируват, который восстанавливается в лактат; - образование АТР при гликолизе может идти двумя путями: либо субстратным фосфорилированием, когда для фосфорилирования АDР используется энергия макроэргической связи субстрата (реакции 7 и 9), либо путем окислительного фосфорилирования АDР, сопряженного с дыхательной цепью (реакция 6). Энергетическое значение аэробного распада гюкозы. В аэробном гликолизе образуется 10 молей АТР на 1 моль глюкозы. Так, в реакциях 7 и 10 образуется 4 моль АТР путем субстратного фосфорилирования, а в реакции 6 синтезируется 6 моль АТР (на 2 моль глицероальдегидфосфата) путем окислительного фосфорилирования. Суммарный эффект аэробного гликолиза составляет 8 моль АТР, так как в реакциях 1 и 3 используется 2 моль АТР. Дальнейшее окисление 2 моль пирувата в общих путях катаболизма сопровождается синтезом 30 моль АТР (по 15 моль на каждую молекулу пирувата). Следовательно, суммарный энергетический эффект аэробного распада глюкозы до конечных продуктов составляет 38 моль АТР. Значение анаэробного распада глюкозы. Анаэробный и аэробный гликолиз энергетически неравноценны. Образование 2 моль лактата из глюкозы сопровождается синтезом всего 2 57 моль АТР, потому глицероальдегидфосфата, что не NADН, полученный используется при дыхательной окислении цепью, а акцептируется пируватом. Анаэробный гликолиз, несмотря на небольшой энергетический эффект, является основным источником энергии для скелетных мышц в начальном периоде интенсивной работы, т.е. в условиях, когда снабжение кислородом ограничено. Кроме того, зрелые эритроциты извлекают энергию за счет анаэробного окисления глюкозы, потому что не имеют митохондрий. Депонирование и распад гликогена. Гликоген — основная форма депонирования глюкозы в клетках животных. У растений эту функцию выполняет крахмал. В структурном отношении гликоген, как и крахмал, представляет собой разветвленный полимер из глюкозы, однако гликоген более разветвлен и компактен. Ветвление обеспечивает быстрое освобождение большого количества концевых мономеров при распаде гликогена. Синтез и распад гликогена происходят разными путями. Гликоген синтезируется в период пищеварения (в течение 1 — 2 ч после приема углеводной пищи). Особенно интенсивно гликогенез протекает в печени и скелетных мышцах. В начальных реакциях образуется UDР-глюкоза, которая является активированной формой глюкозы, непосредственно включающейся в реакцию полимеризации . Эта последняя реакция катализируется гликогенсинтазой, которая присоединяет глюкозу к олигосахариду или к уже имеющейся в клетке молекуле гликогена, наращивая цепь новыми мономерами. Для подготовки и включения в растущую полисахаридную цепь требуется энергия 1 моль АТР и 1 моль UТР. Ветвление полисахаридной цепи происходит при участии фермента амило-α.-1,4—α-1,6-гликозилтрансферазы путем разрыва одной α-1,4-связи и переноса олигосахаридного остатка от конца растущей цепи к ее середине с образованием в этом месте α-1,6-гликозидной связи. Молекула гликогена содержит до 1 млн остатков глюкозы, следовательно, на синтез расходуется 58 значительное количество энергии. Необходимость превращения глюкозы в гликоген связана с тем, что накопление значительного количества глюкозы в клетке привело бы к повышению осмотического давления, так как глюкоза — хорошо растворимое вещество. Напротив, гликоген содержится в клетке в виде гранул и малорастворим. Распад гликогена — гликогенолиз происходит в период между приемами пищи. Глюкоза в виде глюкозо-1-фосфата освобождается в результате фосфоролиза, катализируемого фосфорилазой. Фермент отщепляет концевые остатки один за другим, укорачивая цепи гликогена. Однако этот фермент расщепляет только α-1,4-гликозидные связи. Связи в точке ветвления гидролизуются ферментом амило-α-1,6-гликозидазой, которая отщепляет мономер глюкозы в свободном виде. Особенности метаболизма гликогена в печени и мышцах Включение глюкозы в метаболизм начинается с образования фосфоэфира — глюкозо-6-фосфата. В мышцах и других органах эту реакцию катализирует фермент гексокиназа, его Км менее 0,1 ммоль/л. В клетках печени эту же реакцию катализирует глюкокиназа, значение Км которой примерно 10 ммоль/л. Это значит, что насыщение глюкокиназы происходит только при высокой концентрации глюкозы. Различия в свойствах ферментов объясняют, почему в период пищеварения глюкоза задерживается в основном в печени. Глюкокиназа при высокой концентрации глюкозы в этот период максимально активна. Напротив, гексокиназа, обладая большим сродством к глюкозе, способна выхватывать ее из общего кровотока, где концентрации глюкозы ниже. Физиологическое значение гликогенолиза в печени и мышцах различно. Мышечный гликоген является источником глюкозы для самой клетки. Гликоген печени используется главным образом для поддержания физиологической концентрации глюкозы в крови. Различия обусловлены тем, что в клетке печени присутствует фермент глюкозо-6-фосфатаза, катализирующая отщепление фосфатной группы и образование свободной 59 глюкозы, после чего глюкоза поступает в кровоток. В клетках мышц нет этого фермента, и распад гликогена идет только до образования глюкозо-6фосфата, который затем используется в клетке. Глюконеогенез — это синтез глюкозы из неуглеводных предшественников. У млекопитающих эту функцию выполняет в основном печень, в меньшей мере — почки и клетки слизистой оболочки кишечника. Запасов гликогена в организме достаточно для удовлетворения потребностей в глюкозе в период между приемами пищи. При углеводном или полном голодании, а также при длительной физической работе концентрация глюкозы в крови поддерживается за счет глюконеогенеза. В этот процесс могут быть вовлечены вещества, которые способны превратиться в пируват или любой другой метаболит глюконеогенеза. Использование первичных субстратов в глюконеогенезе происходит при различных физиологических состояниях. Так, в условиях голодания часть тканевых белков распадается до аминокислот, которые затем используются в глюконеогенезе. При распаде жиров образуется глицерин, который через диоксиацетонфосфат включается в глюконеогенез. Лактат, образующийся при интенсивной физической работе в мышцах, печени превращается в глюкозу. Следовательно, физиологическая роль глюконеогенеза из лактата, аминокислот и глицерина различна. Синтез глюкозы из пирувата протекает, как при гликолизе, но в обратном направлении. Суммарное уравнение глюконеогенеза из пирувата: 2 Пируват + 4 АТР + 2 GТР + 2 NADН + 4 Н2О → Глюкоза + 4 ADР + 2 GDP + 2 NAD+ + 6 Н3РО4 За сутки в организме человека может синтезироваться до 80 г глюкозы. На синтез 1 моль глюкозы из пирувата расходуется шесть макроэргических связей (4 АТР и 2 GТР). Методические указания к выполнению заданий Модуля 4 При выполнении задач этого модуля нужно выписать и выучить формулы основных углеводов – глюкозы, фруктозы, галактозы, лактозы, 60 мальтозы, сахарозы, а также структурные формулы мономеров крахмала, гликогена и целлюлозы. Примеры решения типовых задач Модуля 4 Пример 1. Решение. ТЕСТ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ МОДУЛЯ 4 Блок 1. Теоретические задания с выбором ответов. За любое правильно решенное задание Блока 1 студент получает один балл. Число заданий в Блоке 1 - четыре. Выберите наиболее правильный ответ и отметьте его любым значком в бланке ответов 1. Галактоза образуется при переваривании 1) 3) крахмала мальтозы 2) 4) сахарозы лактозы 2. Амилаза слюны: проявляет наибольшую 2) катализирует гидролиз крахмала с активность при рН 8,0 образованием глюкозы 3) Расщепляет α-1,64) имеет диагностическое значение гликозидные связи 3. Суточная норма углеводов в питании составляет приблизительно 1) 50 г 2) 100 г 3) 400 г 4) 200 г 4. Транспорт глюкозы из крови в клетки мышечной и жировой ткани 1) происходит: 1) 3) Против градиента концентрации Во время длительного (более суток) голодания 2) При участии инсулина 4) При участии Na+, K+-АТФазы Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 Блок 2. Задачи с выбором ответов. 61 3 4 За любое правильно решенное задание Блока 2 студент получает два балла. Число заданий в Блоке 1 - три. 1. Сколько моль АТФ образуется при аэробном гликолизе из 1 моль глюкозы? 1) 8 моль 2) 4 моль 3) 10 моль 38 моль 4) 2. Каков суммарный эффект аэробного гликолиза? 1) 8 моль АТФ 2) 4 моль АТФ 3) 10 моль АТФ 4) 38 моль АТФ 3. Сколько макроэнергетических молекул расходуется при синтезе 1 моль глюкозы из пирувата при глюконеогенезе? 1) 4 2) 2 3) 6 4) 8 Бланк ответов № 1) 2) 3) 4) 1 2 3 Блок 3. Задания с развернутым ответом. Студент должен записать ответ в развернутой форме и в зависимости от полноты решения и его правильности могут оцениваться от одного до пяти баллов. Число заданий в Блоке 1 - четыре. 1. Опишите различия в обмене углеводов у двух студентов, один из которых лежит после ужина на диване, другой вместо ужина совершает 20-минутную пробежку. Какие процессы преобладают у них в углеводном обмене? 2.Гликоген является разветвленным полимером. Точки ветвления образуются чаще, чем в крахмале. Объясните, какое биологическое значение имеет разветвленное строение гликогена. Аргументируйте свой ответ. Для этого: а) напишите схемы синтеза и распада гликогена; б) укажите ферменты, катализирующие образование и гидролиз гликозидных связей в местах разветвления молекулы; в) укажите, в каких ситуациях происходит синтез и распад гликогена. 62 3. Один студент за завтраком выпил только 1 стакан чая, содержащего 50 г сахарозы, другой съел кусок хлеба массой 50 г. В крови какого студента содержание глюкозы через 30 мин возрастет в 1 - 1,5 раза и почему? 4. При изучении гликолиза в эксперименте в качестве субстрата использовали глюкозу, меченную в положении 1 С. Определите в каком 14 продукте и в каком из продуктов спиртового брожения глюкозы окажется изотопная метка и в каком положении. Проектное задание 1. На чем может быть основан способ определения количества точек ветвления в молекуле гликогена? Что происходит с остатками глюкозы в точках ветвления молекулы гликогена в процессе его мобилизации? Для обоснования ответа: а) напишите схемы реакций гидролиза связей между остатками глюкозы в линейных участках молекулы гликогена и в местах разветвлений; б) укажите, какие продукты образуются в этих реакциях. 2. Учитывая, что основным источником АТФ для синтеза гликогена является аэробный распад глюкозы, определите, во что обходится организму хранение глюкозы в виде гликогена. Рассчитайте, сколько молей глюкозы необходимо окислить, чтобы обеспечить энергией синтез 35 г гликогена (35 г гликогена соответствует примерно 200 молям глюкозных остатков). Энергию УТФ считать эквивалентной АТФ. Расчет обоснуйте соответствующими схемами. 63 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Ленинджер. А. Основы биохимии. М. Мир, 1985. 2. Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия. Дрофа, 2004. 3. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэл В. Биохимия человека. В 2-х томах. Мир, 2004г 4. Биохимия. Под редакцией Е.С. Северина. М. ГЭОТАР-МЕД, 2004г. 5. Румянцев Е.В. и др. Химические основы жизни. М. Химия, КолосС, 2007. 6. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. М. Мир, 2004. 7. Морозкина Т.С., Мойсеенок А.Г. Витамины. Минск. Асар, 2002 8. Пищевая химия. Под ред. Нечаева А.П. Санкт-Петербург. Гиорд, 2007. 9. Сборник тестов и задач по биохимии под ред. Ак. РАМН И.П.Ашмарина и проф. А.Я.Николаева. М. МГУ, 1996. 64
