Проверьте себя - Автоматизированная информационная

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042-18-10.1.53
УМКД
/03-2014
Учебно-методические
Редакция №2 от
материалы по дисциплине
11.09.2014 г.
«Биохимия животных»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Биохимия животных»
для специальности
5В080200 – «Технология производства продуктов животноводства»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2014
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 2 из 44
Содержание
1.
2.
3.
4.
Глоссарий
Лекции
Практические и лабораторные занятия
Самостоятельная работа обучающегося
3
7
36
39
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 3 из 44
1 ГЛОССАРИЙ
Аденозинтрифосфат (АТР). Рибонуклеозид-5-трифосфат, участвующий в энергетическом
цикле клетки в качестве донора фосфатной группы.
Активация аминокислоты. АТР-зависимое ферментативное образование эфирной связи между
карбоксильной группой аминокислоты и З'-гидроксильной группой соответствующейей тРНК.
Активный транспорт. Требующий энергии перенос растворенного вещества через
мембрану в направлении более высокой его концентрации. Активный центр. Участок
поверхности фермента, в котором молекула субстрата связывается и претерпевает
превращения.
Акцептор
электронов.
Вещество,
восстановительной реакции.
присоединяющее
электроны
в окислительно-
Аллостерические ферменты. Регуляторные ферменты, каталитическая активность которых
меняется при нековалентном связывании специфического метаболита не в каталитическом
центре, а в другом участке.
Аллостерический
центр.
Специфический
участок
на
поверхности молекулы
аллостерического фермента (отличный от активного центра), с которым связывается
молекула модулятора или эффектора.
Аминоацил-тРНК. Эфир аминокислоты и тРНК.
Аминоацил-тРНК–синтетаза. Фермент, катализирующий образование аминоацил-тРНК за
счет энергии АТР.
Аминокислоты. Карбоновые кислоты с аминогруппой в α-положении, составные элементы
белков.
Анаболизм. Фаза промежуточного метаболизма, связанная с требующим затрат энергии
биосинтезом компонентов клеток из молекул-предшественников.
Антиген. Молекула, способная вызывать синтез специфического антитела у позвоночных.
Антикодон. Специфическая последовательность из трех нуклеотидов в тРНК, комплементарная
кодону для аминокислоты в мРНК.
Антитело. Защитный белок, синтезируемый иммунной системой высших организмов; он
специфическим образом взаимодействует с чужеродной молекулой (антигеном), которая
индуцировала его синтез.
Ацидоз. Метаболические условия, при которых буферная емкость жидкостей организма по
отношению к ионам Н+ уменьшается; обычно ацидоз сопровождается понижением рН крови.
Белок. Полимер, состоящий из одной или нескольких полипептидных цепей, для каждой из
которых характерны определенная аминокислотная последовательность и определенная
молекулярная масса.
Витамин. Органическое вещество, которое должно присутствовать в пище в следовых
количествах; большинство витаминов представляет собой составную часть определенных
коферментов.
Высокоэнергетическое соединение. Соединение, гидролиз которого в стандартных условиях
сопровождается значительным уменьшением свободной энергии.
Гем. Железопорфириновая простетическая группа гемопротеинов.
Гемоглобин. Гемсодержащий белок красных кровяных клеток (эритроцитов), принимающий
участие в переносе 02.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 4 из 44
Ген. Участок хромосомы, который кодирует одну или несколько полипептидных цепей или
молекулу РНК.
Генетическая информация. Наследственная информация, содержащаяся в нуклеотидной
последовательности хромосомной ДНК или РНК.
Генетический код. Набор кодовых слов (триплетов) в ДНК кодирующих аминокислоты
белков.
Геном. Совокупность всех генов организма.
Гистоны. Группа основных белков, связанных с хромосомами эукариотических клеток.
Гликолиз. Тип брожения, при котором глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата.
Глобулярный белок. Растворимый белок, полипептидная цепь которого плотно свернута в
пространстве с образованием глобулы.
Глюконеогенез. Биосинтез новых углеводов из неуглеводных предшественников.
Гормон. Химическое вещество, которое синтезируется в следовых количествах эндокринной
тканью и выполняет роль посредника в регулировании функции другой ткани или органа.
Дегидрогеназы. Ферменты, катализирующие удаление из субстрата двух атомов водорода.
Дезаминирование. Ферментативное удаление аминогрупп из аминокислот.
Дезоксирибонуклеотиды. Нуклеотиды, содержащие в качестве пентозного компонента 2дезокси-D-рибозу.
Денатурация. Частичное или полное расплетание полипептидной цепи (цепей) белка с утратой
его специфической природной конформации.
Денатурированный белок. Белок, утративший свою природную конформацию под воздействием
какого-либо стабилизирующего фактора, например при нагревании.
Дисульфилный мостик. Ковалентная поперечная связь, образующаяся между цистеиновыми
остатками двух полипептидных цепей.
ДНК-полимераза. Фермент, который катализирует протекающую в присутствии матрицы
реакцию синтеза ДНК из предшественников - дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатов.
Дыхание. Окислительное расщепление молекулы питательного вещества с высвобождением
энергии под воздействием кислорода.
Дыхательная цепь. Электронпереносяшая цепь, состоящая из последовательности белковпереносчиков электронов, которые переносят электроны от субстрата к молекулярному
кислороду в аэробных клетках.
Заменимые аминокислоты. Аминокислоты белков, которые могут синтезироваться
человеком и другими позвоночными из более простых предшественников и потому их
присутствие в пище не обязательно.
Изомераза. Фермент, катализирующий превращение соединения в его структурный изомер.
Изоэлектрическая точка. Значение рН, при котором растворенное вещество не имеет
суммарного электрического заряда.
Киназа. Фермент, катализирующий фосфорилирование молекулы-акцептора при помощи
АТР.
Кортикостероиды. Стероидные гормоны, вырабатываемые корой надпочечников.
Кофактор. Низкомолекулярное термостабильное неорганическое
соединение, необходимое для проявления активности фермента.
или
органическое
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 5 из 44
Кофермент. Кофактор органической природы, необходимый для действия определенных
ферментов; часто в качестве составной части содержит витамин.
Матрица. Макромолекулярный шаблон для синтеза информационной макромолекулы.
Матричная РНК (мРНК). Класс молекул РНК, каждая из которых комплементарна одной
цепи клеточной ДНК и служит для переноса генетической информации от хромосомы к
рибосомам.
Мембранный
транспорт.
Перенос
растворенного
вещества
осуществляемый обычно с помощью особого белка мембраны.
через мембрану,
Метаболизм. Полная совокупность катализируемых ферментами превращений органических
молекул питательных веществ в живых клетках.
Митохондрии. Окруженные мембраной органеллы, присутствующие в
цитоплазме
эукариотических клеток; они содержат ферментные системы, необходимые в цикле
лимонной кислоты, в транспорте электронов и при окислительном фосфорилировании.
Мультиферментная система. Последовательность связанных между собой ферментов,
участвующих в данном метаболическом пути.
Незаменимые аминокислоты. Аминокислоты, которые не могут синтезироваться человеком
и другими позвоночными и должны поступать с пищей.
Нуклеиновые кислоты. Природные полинуклеотиды, в которых нуклеотидные остатки
соединены между собой в определенной последовательности фосфодиэфирными связями.
Нуклеозид. Соединение, состоящее из пуринового или пиримидинового основания, ковалентно
связанного с пентозой.
Нуклеотид. Нуклеозид, фосфорилированный по одной из гидроксильных групп пентозы.
Окислительное фосфорилирование. Ферментативное превращение
ADP в АТР, сопряженное с переносом электронов от субстрата к молекулярному кислороду.
Оксигеназа. Фермент, катализирующий реакцию, в ходе которой в акцепторную молекулу
вводится кислород.
Пептид. Две или большее число аминокислот, ковалентно соединенных друг с другом
пептидными связями.
Пептидная связь. Замещенная амидная связь между α-аминогруппой одной аминокислоты и αкарбоксильной группой другой.
Протеолитический фермент. Фермент, катализирующий гидролиз белков или пептидов.
Стероиды. Класс липидов, содержащих циклопентанфенантреновую
Трансаминазы. Ферменты, катализирующие перенос аминогрупп от α-аминокислот к αкетокислотам; их также называют аминотрансферазами.
Трансляция. Процесс, при котором генетическая информация, содержащаяся в молекуле
мРНК, направляет синтез соответствующей аминокислотной последовательности в белке.
Транспортная РНК (тРНК). Класс молекул РНК (мол. масса 25000-30000), каждая из которых
на первом этапе белкового синтеза ковалентно соединяется со специфической аминокислотой.
Флавинадениндинуклеотид (FAD). Кофермент ряда окислительно-восстановительных
ферментов, содержащий рибофлавин.
Фосфорилирование. Образование фосфатного производного биомолекулы обычно за счет
ферментативного переноса фосфатной группы от АТР.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 6 из 44
Фосфорилирование в дыхательной цепи. Окислительное фосфорилирование,
фосфорилирование ADP, сопряженное с переносом электронов от субстрата к кислороду.
Хемиосмотическое сопряжение. Сопряжение синтеза АТР и переноса
мембрану за счет электрохимического градиента Н +
электронов
т.е.
через
Хиломикрон. Компонент плазмы крови, представляющий собой крупную каплю
триацилглицеролов, стабилизированную с помощью оболочки из белка и фосфолипида.
Цикл мочевины. Метаболический путь, обнаруживаемый в печени; приводит к синтезу
мочевины из аминогрупп и С02.
Циклический AMP (циклический аденилат). Вторичный посредник внутри клеток; его
образование при помощи аденилатциклазы стимулируется некоторыми гормонами.
Цитохромы. Гемосодержащие белки, выполняющие роль переносчиков электронов при
дыхании и фотосинтезе.
Эндокринные железы. Железы, содержащие клетки, специализирующиеся на синтезе
гормонов и их секреции в кровь; при помощи гормонов осуществляется регуляция
деятельности клеток других типов.
Ядро. Органелла
хромосомы.
эукариотической
клетки,
окруженная
мембраной
и содержащая
Ядрышко. Интенсивно окрашиваемая структура в ядре эукариотических клеток; участвует в
синтезе рРНК и образовании рибосом.
2 ЛЕКЦИИ
Микромодуль 1 – Введение. Регуляция обмена веществ.
Лекция 1. ВИТАМИНЫ
Содержание лекционного занятия:
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
1.
2.
3.
4.
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 7 из 44
Общая характеристика
Классификация витаминов
Водорастворимые витамины
Жирорастворимые витамины
Витамины — это группа разнообразных по структуре органических веществ, необходимых
для нормальной жизнедеятельности организма, синтез которых в организме отсутствует или
ограничен.
Источником витаминов для человека служит пища и кишечные бактерии. Последние сами
синтезируют многие витамины и являются важным источником их поступления в организм.
Классификация витаминов. По растворимости в воде и жировых растворителях витамины
делят на две группы: водорастворимые и жирорастворимые. Для каждого витамина
существует буквенное обозначение, химическое и физиологическое название.
Отдельные витамины представляют группу близких по химической структуре соединений.
Варианты одного и того же витамина называют витамерами. Они обладают специфическим
действием, но отличаются по силе биологического эффекта. Некоторые витамины
поступают в организм с пищей в виде неактивных предшественников — провитаминов,
которые в тканях превращаются в биологически активные формы витаминов.
Нарушение баланса витаминов в организме проявляется как в виде недостатка, так и
избытка. Частичный недостаток витамина называется гиповитаминозом, полное отсутствие
какого-либо витамина — авитаминозом. Избыточное накопление в тканях витамина (или
витаминов), сопровождающееся клиническими и биохимическими признаками нарушений,
называется гипервита-минозом. Это явление характерно для жирорастворимых витаминов.
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ
Витамин В 1 (тиамин). По химическому строению тиамин представляет собой
сложное соединение, включающее пиримиди-новое и тиазольное кольца.
В организме витамин В 1, находится в форме пирофосфорного эфира — тиаминдифосфата.
Он является коферментом декарбоксилаз, катализирующих декарбоксилирование кетокислот.
Около 50% всего тиамина организма содержится в мышцах, 40% — во внутренних органах,
преимущественно в печени.
При недостатке тиамина нарушается нормальное превращение углеводов, наблюдается
повышенное накопление в организме кетокислот.
Нарушения со стороны нервной системы проявляется постепенным снижением
периферической чувствительности, утратой некоторых периферических рефлексов, сильными
болями по ходу нервов, судорогами, расстройством высшей нервной деятельности.
Витамин В2 (рибофлавин) обнаружен во всех тканях и органах организма человека. Он
встречается как в свободном виде, так и в соединении с белком, является коферментом
дегидрогеназ, ускоряющих реакции окисления янтарной кислоты, жирных кислот, переноса
электронов и протонов в дыхательной цепи и т. д.
Недостаточность витамина В2 проявляется в снижении содержания коферментных форм его
в тканях, прежде всего флавинмоно-нуклеотида (ФМН). Гиповитаминоз В 2 клинически
проявляется сухостью слизистых оболочек губ, трещинами в углах рта и на губах повышенным
шелушением кожи, конъюктивитами, светобоязнью.
Витамин В3 (пантотеновая кислота) входит в состав коэнзима А (КоА) — кофермента ряда
ферментов, катализирующих превращение ацилов.
При недостатке витамина В3 в организме человека поражаются кожные покровы и
слизистые оболочки внутренних органов, наблюдаются дегенеративные изменения ряда
органов и тканей (особенно желез внутренней секреции), потеря волосяного покрова,
депигментация волос и другие патологические явления.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 8 из 44
Витамин В5 (никотиновая кислота, никотинамид), в отличие от других витаминов, в
небольшом количестве синтезируется в организме из аминокислоты триптофана.
Витамеры витамина В 5 — никотиновая кислота и никотинамид — обладают разной
биологической активностью: никотиновая кислота является провитамином, а никотинамид
обладает антипелларгическим действием, предохраняет от заболевания пеллагрой и излечивает
уже возникшее заболевание.
Коферментные формы витамина В5 — никотинамидаденинди-нуклеотид (НАД) и
никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) — определяют биохимические
функции витамина В 5 в организме, среди которых главные:
•Перенос водорода в окислительно-восстановительных реакциях.
• Участие в синтезе органических соединений.
Источником витамина В 5 являются мясные, особенно богата ими печень, и многие
растительные продукты.
Витамин В6 (пиридоксин) представляет собой сочетание трех витамеров: пиридоксола,
пиридоксаля и пиридоксамина.
В тканях организма
основной коферментной формой витамищ В6 является
он
входит
в
состав
декарбоксилаз
аминокислот
и
пиридоксальфосфат,
аминотрансфераз.
Недостаточность в пище витамина В6 приводит к нарушениям белкового обмена, т. к.
реакции переаминирования аминокислот с кетокислотами обеспечивают организм
свободными аминокислотами, необходимыми для биосинтеза различных белков.
Витамин В12 (цианокобаламин). Химическая структура витамин В12 очень сложна; в составе
этого витамина присутствует атом Со.
Витамин В12 в природе существует в нескольких формах, некоторые из них являются
коферментами. Кобамидные ферменты ускоряют важнейшие реакции углеводного, липидного и
азотистого обменов.
Недостаток витамина В12 приводит к нарушению кроветворения в костном мозге,
вследствие чего возникает анемия, поэтому витамин В12, называют антианемическим.
Растения не содержат витамина В12. Его источником для человека являются мясо, молоко,
яйца.
Витамин С (аскорбиновая кислота). Аскорбиновую кислоту можно рассматривать как
производное углевода L-гулозы. Она является донором водорода в окислительновосстановительных реакциях, следовательно, существует в двух формах - окисленной и
восстановленной.
Недостаточность аскорбиновой кислоты приводит к заболеванию, называемому цингой.
Это заболевание выражается в повышении проницаемости и хрупкости кровеносных сосудов, что
приводит к подкожным кровоизлияниям. При недостатке витамина С снижается возможность
использования запасов железа для синтеза гемоглобина в клетках костного мозга, что приводит к
развитию анемии. На основе возникших биохимических нарушений развиваются внешние признаки
проявления цинги: расшатывание и выпадение зубов, кровоточивость десен, отеки и боли в
суставах, бледность (анемичность) кожных покровов, поражение костей.
Витамин Н (биотин).
Витамин Н в качестве кофермента входит в состав ферментов,
ускоряющих реакции карбоксилирования. При недостатке этого витамина у человека
наблюдается ряд патологических изменений: воспаление кожных покровов, выпадение волос,
усиление выделения жира сальными железами кожи (себоррея). Предотвращение себорреи
послужило основанием для названия биотина антисеборрейным витамином.
ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ
Витамин А (ретинол)
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 9 из 44
Признаком недостаточности витамина А является нарушение темновой адаптации и
ночная слепота. Кроме того, возможна задержка роста в молодом возрасте, помутнение и
размягчение
роговицы.
Витамин D (кальциферол).
Витамин D регулирует транспорт ионов кальция и фосфора через клеточные мембраны.
Недостаточность витамина D проявляется в виде заболевания, называемого рахитом. При
рахите торможено всасывание ионов кальция и фосфатов в кишечнике. Вследствие этого
их уровень в крови снижается и нарушает минерализация костей, т. е. отложения
минеральных веществ вновь образовавшуюся коллагеновую матрицу растущих костей
происходит. У страдающих рахитом наблюдается деформация костей конечностей, черепа и
грудной клетки.
Относительная недостаточность витамина D возможна и нормальном его поступлении в
организм. Она проявляется при заболеваниях печени и особенно почек, так как эти органы
принимают участие в образовании активных форм витамина D.
Витамин Е (токоферол). Название витамина Е происходит от греческих слов токос —
потомство и феро — несу, что указывает на участие этого вещества в регуляции процесса
размножения.
Витамин К (филлохинон)
Витамин К регулирует в организме процесс свертывания крови, способствует синтезу
компонентов свертывающейся системы крови.
Витамин Q (убихинон)
Убихиноны являются коферментами оксидоредуктаз, который катализируют процессы
переноса атомов водорода и электронов. В связи с этим убихиноны могут находиться в двух
формах — окисленной и восстановленной.
Источником витамина Q являются ткани как животных, так и растений. Особенно
богаты им сердечная мышца и печень.
Основные понятия: витамины; витамеры; провитамины; гиповитаминоз; гипервитаминоз.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие соединения называются витаминами?
2. Что такое витамеры? Приведите примеры витаминов, сущеествующих в виде нескольких витамеров.
3. К каким нарушениям функционирования скелетных мышц
приводит недостаток витамина В1?
4.Какие продукты питания являются источником витамина В2 .Напишите структурные
формулы витамеров витамина В 2? Какой из витамеров обладает наибольшей биологической
активностью?
6.В каких процессах участвует аскорбиновая кислота?
7. Каковы последствия избыточного потребления витамин; D
Рекомендуемая литература: 1 []
ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ
1. Близкие по химической структуре соединения, обладающие одинаковыми
биологическими свойствами, являются: а) витаминами; б) изомерами; в) гомологами; г)
витамерами.
2 Нарушения в организме, вызванные избыточным накопле-нием витамина, называются:
а) гипервитаминозом; б) гиповита-минозом; в) авитаминозом.
3 Никотиновая кислота и никотинад — это витамеры витами-на: а) В 1; б) В3 ; в) В5 ; г) В12;
д) К.
4 Витамин В 12 содержит в своем составе катион: а) калия;б) кобальта; в) натрия; г)
магния; д) цинка.
5.Антипелларгическим является витамин: а) Е; б) С; в) В 2 ;г) В|2; д) В5.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 10 из 44
6. Физиологическое название витамина Н: а) антицинготный;б) антисеборрейный; в)
антиневритный; г) антирахитический.
7. Основными источниками витамина С являются: а) мясные продукты; б) растительные
продукты; в) молочные продукты.
Микромодуль 1 – Введение. Регуляция обмена веществ.
Лекция 2. ФЕРМЕНТЫ
Содержание лекционного занятия:
1. Общая характеристика, свойства ферментов
2. Классификация ферментов
3. Механизм действия ферментов
Ферменты — биологические катализаторы белковой природы. Термин фермент (от лат.
fermentum — закваска) был предложен в начале XVII в. голландским ученым Ван
Гельмонтом для веществ, влияющих на спиртовое брожение.
Роль ферментов в жизнедеятельности всех живых организму огромна. И.П. Павлов писал:
«Ферменты есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы
направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических
превращений. Все эти вещества играют огромную роль они обусловливают собою те процессы,
благодаря которым про является жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни».
Раздел биохимии, изучающий биологические катализаторы белковой природы,
называется энзимологией.
Ферменты и катализаторы неорганической природы, подчиняясь общим законам
катализа, имеют сходные признаки:
• катализируют только энергетически возможные реакции;
• не изменяют направление реакции;
• не расходуются в процессе реакции;
• не участвуют в образовании продуктов реакции.
Однако ферменты по ряду признаков отличаются от катализаторов неорганической
природы. Главное отличие заключается в их химической природе, так как ферменты — белки.
В отличие от катализаторов неорганической природы ферменты «работают» в «мягких»
условиях: при атмосферном давлении, при температуре 30—40°С, при значении рН-среды
близком к нейтральному. Скорость ферментативного катализа намного выше, чем
небиологического. Единственная молекула фермента может катализировать от тысячи до
миллиона молекул субстрата за 1 минуту. Такая скорость недостижима для катализаторов
неорганической природы.
Ферменты обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату; каждый
фермент катализирует единственную реакцию либо группу реакций одного типа.
Ферменты являются катализаторами с регулируемой активностью, чего нельзя сказать о
катализаторах иной природы. Это уникальное свойство ферментов позволяет изменять
скорость превращения веществ в организме в зависимости от условий среды, г. е.
приспосабливаться к действию различных факторов.
Существенным отличием ферментативных процессов является гот факт, что
ферментативный процесс можно представить в виде цепи простых химических превращений
вещества, четко запрограммированных во времени и в пространстве.
СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ
По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные
(двухкомпонентные). Простой фермент состоит только из белковой части; в состав сложного
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 11 из 44
фермента входит белковая и небелковая составляющие. Иначе сложный фермент называют
холоферментом. Белковую часть в его составе называют апоферментом, а небелковую —
коферментом. Химическая природа коферментов была выяснена в 30-е гг. Оказалось, что роль
некоторых коферментов играют витамины или вещества, построенные с участием витаминов В1,
В2, В5, В6, В]2, Н, Q и др. Особенностью сложных ферментов является то, что отдельно
апофермент и кофермент не обладают каталитической активностью.
В составе как простого, так и сложного фермента, выделяют субстратный,
аллостерический и каталитический центры.
Каталитический центр простого фермента представляет собой уникальное сочетание
нескольких аминокислотных остатков, расположенных на разных участках полипептидной цепи.
Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной
структуры белковой молекулы фермента. Чаще всего в состав каталитического центра
простого фермента входят остатки серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина,
аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Субстратный центр простого фермента — это участок белковой молекулы фермента,
который отвечает за связывание субстрат Субстратный центр образно называют «якорной
площадкой», где субстрат прикрепляется к ферменту за счет различных взаимодействий между
определенными боковыми радикалами аминокислотных остатков и соответствующими
группами молекулы cyбстрата. Субстрат с ферментом связывается посредством ионных
взаимодействий, водородных связей; иногда субстрат и фермент связываются ковалентно.
Гидрофобные взаимодействия также играют определенную роль при связывании субстрата с
ферментом. В простых ферментах субстратный центр может совпадать с каталитическим;
тогда говорят об активном центре фермента.
Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фер-мента, в результате
присоединения к которому какого-то низкомолекулярного вещества изменяется третичная
структура белковой молекулы фермента, что влечет за собой изменение его активности.
Аллостерический центр является регуляторным центром фермента.
В сложных ферментах роль каталитического центра выполняет кофермент, который
связывается с апоферментом в определенном участке — кофермент связывающем домене.
Понятия субстратного и аллостерического центров для сложного фермента и для простого
аналогичны.
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
Механизм действия простого и сложного ферментов одинаков, так как активные центры в
их молекулах выполняют сходные функции.
В 1913 г. Л. Михэлис и М. Ментэн подтвердили и развили представления о механизме
действия ферментов, который можно представить в виде схемы:
Е +S = (E S), = (E S) = (E P) – E+P,
где Е – фермент, S – субстрат, Р – продукт.
На первой стадии ферментативного катализа происходит образование
фермент субстратного комплекса, где фермент и субстрат могут быть связаны ионной, ковалентной
или иной связью. Образование комплекса Е S происходит практически мгновенно.
На второй стадии субстрат под воздействием связанного с ним фермента видоизменяется
и становится более доступным для соответствующей химической реакции. Эта стадия
определяет скорость всего процесса.
На третьей стадии происходит химическая реакция, в результате которой образуется
комплекс продукта реакции с ферментом.
Заключительным процессом является высвобождение продукта реакции из комплекса.
СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 12 из 44
Ферменты обладают всеми свойствами белков. Однако по сравнению с белками,
выполняющими другие функции в клетке, ферменты имеют ряд специфических, присущих
только им свойств.
Зависимость активности ферментов от температуры. Температура может влиять по-разному
на активность фермента. При высоких значениях температуры может происходить
денатурация белковой части фермента, что негативно сказывается на его активности. При
определенных (оптимальных) значениях температура может влиять на скорость образования
фермент-субстратного комплекса, вызывая увеличение скорости реакции. Температура, при
которой каталитическая активность фермента максимальна, называется температурным
оптимумом фермента.
Зависимость активности фермента от рН-среды. Большинство ферментов проявляет
максимальную активность при значениях рН, близких к нейтральным. Лишь отдельные
ферменты «работают» в сильно кислой или сильно щелочной среде. Например, активность
пепсина — фермента, гидролизуюшего белки в желудке, — максимальна при рН 1,5—2,5.
Специфичность действия ферментов - одно из главных их свойств. Специфичность –
это избирательность фермента по отношению к субстрату (или субстратам). Специфичность
действия ферментов объясняется тем, что субстрат должен подходить к активному центру как
«ключ к замку».
По гипотезе Д. Кошланда, молекула фермента не жесткая, а гибкая, эластичная, поэтому
информация фермента и его активного центра может изменяться при присоединении субстрата
или других лигандов. В момент присоединения субстрат «вынуждает» активный центр
фермента принять соответствующую форму. Это можно сравнить с «перчаткой» и «рукой».
Различают несколько видов специфичности.
-Стеореохимическая субстратная специфичность - фермент катализирует превращение только
одного стереоизомера субстрата.
- Абсолютная субстратная специфичность - фермент катали зирует превращение только одного
субстрата. Например, уреаза катализирует гидролиз только мочевины.
-Групповая субстратная специфичность - фермент катализирует превращение группы субстратов
сходной химической структуры. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует превращение
этанола и других алифатических спиртов, но с разной скоростью.
Влияние на активность ферментов активаторов и ингибиторов. К числу факторов, повышающих
активность ферментов, относятся катионы металлов и некоторые анионы. Чаще всего активаторами
ферментов являются катионы Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , K + и Со 2+ , а из анионов — С1~.
НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Номенклатура ферментов. На первых этапах развития энзимологии названия
ферментам давали их первооткрыватели и случайным признакам (тривиальная
номенклатура). Например к тривиальным относятся названия ферментов: пепсин, трипсин,
химотрипсин. Первая попытка ввести правило для названий ферментов, была
предпринята Е. Дюкло в 1898 г. (рациональная номенклатура). Согласно рациональной
номенклатуре, простой фермент называли по названию субстрата с добавлением окончания
-аза (ДНКаза, РНКаза, амилаза, уреаза). Для названия xoлoфермента по рациональной
номенклатуре использовали название кофермента (пиридоксальфермент, геминфермент).
Позднее в названии фермента стали использовать название субстрата и тип кА- тализируемой
реакции (алкогольдегидрогеназа).
Классификация ферментов. В настоящее время известно более 2000 ферментов. Все
ферменты разделены на шесть классов, каждый из которых имеет строго определенный номер.
1. Оксидуредктазы катализируют окислительно-восстановительные процессы.
2. Трансферазы катализируют реакции переноса функциональных групп и молекулярных
остатков с одной молекулы на другую.
3. Гидролазы катализируют реакции гидролиза
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 13 из 44
4. Лиазы катализируют реакции отщепления (кроме атомов водорода) с образованием
двойной связи либо присоединения по двойной связи, а также негидролический распад
органических соединений либо синтез без участия макроэргических веществ.
5. Изомеразы катализируют процессы изменения геометрической или пространственной
конфигурации молекул.
6. Лигазы катализируют реакции синтеза, сопровождающиеся гидролизом богатой энергией
связи (как правило, АТФ).
Классы ферментов делятся на подклассы, а подклассы, в свою очередь, на подподклассы.
Подкласс уточняет действие фермента, так как указывает в общих чертах на природу
химической группы субстрата. Подподкласс еще более конкретизирует действие фермента,
уточняя природу атакуемой связи субстрата или природу акцептора, который участвует в
реакции.
Система классификации предусматривает для каждого фермента специальный шифр,
состоящий из 4 кодовых чисел, разделенных точками. Первая цифра в шифре обозначает номер
класса, вторая – номер подкласса, третья – подподкласса и четвертая – порядковый номер в
данном подподклассе.
Основные понятия: фермент; энзимология;
аллостерический центр; субстратный центр.
холофермент;
апофермент;
кофермент;
Вопросы для самоконтроля:
1. Какова химическая природа и биологическая роль ферментов?
2. Какие центры выделяют в составе ферментов? Охарактеризуйте каждый центр
простого и сложного фермента.
3. Что понимают под фермент-субстратным комплексом? Какими связями связаны фермент
и субстрат в фермент-субстратном комплексе?
4. Каким образом влияет температура на образование ферментсубстратного комплекса?
5. Пепсин гидролизует белки в желудке. Укажите, в какой среде (кислой, нейтральной,
щелочной) пепсин проявляет максимальную активность.
6. В состав какого кофермента входит витамин В 6? Напишите его структурную формулу и
назовите его.
7. Какие витамины входят в состав коферментов НАД, ФАД, КоА?
8. Назовите по рациональной номенклатуре ферменты, катализирующие гидролиз: а)
дипептида; б) лактозы; в) сахарозы; г) амилозы.
9. Какие реакции катализируют ферменты класса оксидоредуктаз? Приведите пример
процесса, катализируемого дегидрогеназой.
10.Напишите схемы реакций, назовите ферменты, ускоряющие указанные реакции, и
определите класс ферментов:
а) Глюкоза + АТФ______Глюкозо-6-фосфат;
б) ------------------------------ Глюкозо-1-фосфат
—
Глюкозо-6-фосфат;
в) Молочная кислота + НАД + -—-- Пировиноградная кислота + НАДН + Н+;
г)------------------------- Алании + Н2 О_____Молочная кислота + NH 3 ;
д) ---------------- Алании______ Этиламин + СО2,.
Рекомендуемая литература: 1 [277-337]
ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ
1. Ферменты — это: а) катализаторы углеводной природы; б) катализаторы белковой
природы; в) катализаторы неорганической природы; г) катализаторы липидной природы.
2. Холоферментом называют: а) надмолекулярный комплекс; б) мультиэнзимный
комплекс; в) простой фермент; г) сложный фермент; д) фермент-субстратный комплекс.
3. В состав кофермента ФМН входит: а) витамин А; б) витамин В 6 ; в) витамин В 2 ; г)
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 14 из 44
витамин К; д) витамин В ]2 .
4. Пантотеновая кислота входит в состав кофермента: а) НАД; б)ФАД; в)
пиридоксалъфосфата; г) коэнзима А; д) тиаминпи рофосфата.
5. Клеточные ферменты, локализованные в цитоплазме, про являют максимальную активность при рН близком: а) 7; б) 2—3;
в) 4-5; г) 9-10.
6. Ферменты, катализирующие синтез биологических молекул
с участием АТФ, относятся к классу: а) трансфераз; б) лигаз; в) гидролаз; г) лиаз; д)
изомераз.
7. Ферменты, катализирующие процессы декарбоксилирования
органических веществ, относятся к классу: а) изомераз; б) лиаз;
в) лигаз; г) трансфераз.
Микромодуль 1 – Введение. Регуляция обмена веществ.
Лекция 3. ГОРМОНЫ
Содержание лекционного занятия:
1. Общее понятие о гормонах
2. Механизм действия гормонов
3. Гормоны внутренней секреций
4. Гормоны гипофиза
5. Гормоны гипоталамуса
В организме человека и животных имеются железы без выводных протоков — железы
внутренней секреции, или эндокринные: греческое слово эндон означает внутрь, а кринейн
— выделять. Эти органы снабжены весьма разветвленной кровеносной и лимфатической
сетью. Например, через щитовидную железу в течение одного часа протекает количество
крови, имеющееся во всем организме. Таким путем секрет желез, вернее,— инкрет,
постоянно вымывается и поступает в общий ток крови, а затем во все органы и ткани.
Эндокринные железы вырабатывают особые вещества — гормоны, названные так
соответственно греческому слову гормао, которое означает возбуждаю, раздражаю,
вызываю. И действительно, гормоны одних желез усиливают общий обмен веществ, а другие
вызывают его уменьшение. В отлитие от ферментов и витаминов гормоны влияют на весь
обмен веществ, например, углеводов, белков или солей.
ГОРМОН ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
Основным гормоном щитовидной железы считается тироксин, или тетра-йод-тиронин.
Этот гормон синтезируется в щитовидной железе из тирозина. Ход синтеза можно
представить в таком виде. Две молекулы циклической аминокислоты соединяются с
потерей одной боковой цепочки в одну молекулу тиронина. Ферментативным путем тиранин
последовательно присоединяет четыре атома йода и превращается в тироксин.
Нарушение деятельности щитовидной железы у людей может происходить в двух
противоположных направлениях: в виде понижения функции железы, или гипофункции, и
в форме чрезмерной деятельности, или гиперфункции. Гипофункция может вызываться
уменьшением, или атрофией железы в детском возрасте. Вследствие недостаточной выработки гормона, или гипотиреоидизма, наблюдаются карликовый рост, уродства, резкая
задержка умственного развития — кретинизм.
При атрофии железы, наступающей в зрелом возрасте вследствие патологии, развивается
так называемый слизистый отек, или микседема. Название болезни происходит от греческих
слов: микса — слизь, эдема — отек. Для заболевания характерны: общая отечность от
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 15 из 44
пропитывания тканей слизистой жидкостью, понижение обмена веществ, физическая и
умственная слабость, ожирение и старческий вид.
В некоторых горных местностях, например в Швейцарии, на Урале и Кавказе,
содержание йода в воде очень низкое. Поэтому у многих жителей развивается особая форма
гипофункции щитовидной железы — эндемический зоб. При этом щитовидная железа хотя и
резко увеличивается, становится похожей на птичий зоб, но перерождается, вырабатывает
очень мало гормона. Хороший профилактический и лечебный эффект оказывает при этом
назначение йодистого калия, например, в составе поваренной соли, принимаемой каждым
день с пищей.
При гиперфункции щитовидной железы у человека вырабатывается избыточное количество
гормона, наступает гипер-тиреоидизм. При этом возникает базедова болезнь. Для этого
заболевания характерны резко повышенный обмен веществ, исхудание, пучеглазие,
ускоренный пульс. Лечат болезнь иссечением значительной части железы, введениями
радиоактивного йода или тиоурацила, разрушающих избыточную часть железистых
клеток.
ГОРМОН ОКОЛОЩИТОВИДНЫХ, ИЛИ ПАРАЩИТОВИДНЫХ ЖЕЛЕЗ
(Gl. parathyreoldea)
Паратиреоидный гормон, или паратгормон, давно выделен в виде вытяжки из желез,
названной паратиреокрином.
Физиологическое действие параттормона заключается в поддержании нормальной
концентрации кальция и фосфора в крови. После удаления околощитовидных желез в крови
подопытных животных количество кальция резко уменьшается с нормальных 10 мг% до 5
мг%, а количество фосфора увеличивается.
Вследствие этого нервно-мышечная система животных становится чрезмерно возбудимой,
в результате чего возникают мышечные судороги, или тетания, в виде получасовых приступов
от ничтожных поводов. Через несколько недель животные погибают вследствие общего
истощения и судорог дыхательных мышц. Все эти явления можно устранить введениями
гормона околощитовидных желез или даже достаточного количества солей кальция.
ГОРМОНЫ ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ (Pancreas)
1. Инсулин вырабатывается очень небольшой частью железы— островками
Лангерганса. Поэтому гормон получил свое название от латинского слова insula —островок.
Основное и резкое влияние инсулин оказывает на углеводный обмен. При введении
гормона здоровым животным значительно снижается содержание сахара в крови и
повышается синтез гликогена в печени, а также переход углеводов в жиры. Поэтому
инсулин нередко применяется для откармливания истощенных больных при одновременной
даче углеводов.
После экспериментального удаления у кошек поджелудочной железы, вернее,— только
островковой ткани, от недостатка инсулина развивается особая болезнь — сахарный
диабет.
Лечение сахарного диабета заключается в систематическом введении инсулина и резком
ограничении углеводного питания. Но даже при небольшом избытке введенного гормона
может наступить чрезмерно обратный эффект: слишком большое снижение уровня сахара
крови, или гипогликемия. Вследствие этого развивается грозная картина гипогликемн-ческой
комы. Спасение жизни такого больного - в быстром введении глюкозы и адреналина —
антагониста относительно инсулина. Поэтому инсулин часто вводят вместе с небольшим
количеством глюкозы.
По-видимому, выделение инсулина из железы в кровь происходит непрерывно, так как он
быстро разрушается в печени инсулиназой, расщепляющей дисульфидные мостики между
полипептидными цепочками гормона. Сохранность этих мостиков и наличие в цепочках
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 16 из 44
остатков гистидина и тирозина в наибольшей мере определяют гормональную активность
инсулина. Регуляция выработки инсулина и его выделения в кровь производятся, главным
образом, уровнем сахара в крови. Инсулин вырабатывается бета-клетками островков
Лангерганса,- в противоположность следующему гормону, который синтезируется альфаклетками островковой ткани.
2. Глюкагон представляет собой полипептид, состоящий из 29 аминокислот, имеющий
молекулярный вес 4200. Гормон выделен в кристаллическом виде из препаратов инсулина.
Глюкагон, подобно следующему гормону—'адреналину, повышает содержание сахара крови,
усиливая распад гликогена в печени, что происходит путем активирования фосфори-лазы
печени. Практическая роль глюкагона в организме и его взаимоотношение с инсулином пока
еще не выяснены.
Наличие двух антагонистических гормонов в одной и той же эндокринной железе имеет
свой биологический смысл. По нашему мнению, секреция инсулина в кровь всегда сопровождается выделением глюкагона, 'предохраняющего от возможной гипогликемии при
избыточном синтезе гликогена в печени и мышцах. Для выяснения такой гипотезы
необходимы соответствующие экспериментальные исследования.
ГОРМОНЫ НАДПОЧЕЧНИКОВ
Надпочечные железы состоят из двух слоев: внутреннего, или мозгового, и наружного,
или коркового слоя. Мозговая и корковая ткани имеют резкие различия.
1. На долю первой приходится лишь 1/10 часть железы.
2. Оба слоя образуются из разных эмбриональных зачат-ков.
3. Мозговая и корковая ткани имеют отдельные системы кровообращения, мало
сообщающиеся одна с другой.
4. Мозговой слой иннервируется преимущественно симпа-тической системой.
5. Каждый слой вырабатывает свои гормоны, различные
в химическом и физиологическом отношениях.
В мозговой ткани надпочечников вырабатываются давно известный гормон адреналин и
усиленно изучаемый теперь его предшественник — нор-адреналин, содержащийся в мозговом слое в сравнительно небольшом количестве.
Кроме того, адреналин вызывает сужение мелких кровеносных сосудов всех органов,
кроме сердца, повышает кровяное давление, усиливает сократимость скелетной и сердечной
мускулатуры, расслабляет мышечную ткань бронхов, расширяет зрачки глаз, вызывает у
животных подъем шерсти дыбом и характерное изгибание спины (реакции защиты и нападения!).
Влияние адреналина сказывается уже в первые минуты после введения, но продолжается
короткое время. Кратковременность действия гормона объясняется нестойкостью адреналина
в крови и тканях, его разрушением, особенно в печени. Hop-адреналин действует подобно
адреналину, но не влияет на общий обмен веществ.
К настоящему времени из коры - надпочечников выделено в кристаллическом виде
около 30 гормоноподобных веществ. Все они химически очень близки между собой и являются
производными стеринов, или холестерина, из которого и образуются в корковом слое
надпочечников. Большая часть из них — гормонально пассивные вещества,
представляющие, по-видимому, промежуточные продукты выделения.
Наиболее активными считаются четыре-пять
соединений: глюкокортикоиды —
кортикостерон, выделенный первым, кортизон или гидрокортизон и кортизол; они
действуют, главным образом, на углеводный обмен. Минералокортикоиды влияют
преимущественно на солевое содержание. Сюда относятся дезоксикортикостерон и недавно
выделенный, очень активный альдостерон, или электрокортин, то есть регулятор электролитного состава; дезоксикортикостерон является, по-видимому, его предшественником.
Альдостерон отличается лишь наличием альдегидной группы, заменившей одну
метальную группу кортикостерона. Если же кортикостерон лишается группы ОН, то
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 17 из 44
соединение имеет вид дезоксикорти-костерона, а если только одного водородного атома той
же группы, то кортизона (дегидрокортикостерона).
В заключение разберемся в отношениях между гормонами щитовидной железы и
надпочечников при их влиянии на общий и углеводный обмен. Вспомним, что и тироксин, и
адреналин повышают общий обмен веществ, усиливают распад гликогена в печени,
увеличивают количество глюкозы в крови и способствуют окислению сахара в тканях.
Поэтому тироксин и адреналин можно считать, во-первых, симпатикотропными гормонами,
так как они являются синергистами и действуют в одном направлении с симпатической
нервной системой. И, во-вторых, оба представляют собой гормоны диссимиляции, то есть
расщепления веществ и выявления их потенциальной энергии.
Однако синергизм этих двух гормонов является относительным уже во времени действия.
Адреналин действует немедленно после его введения или же выделения надпочечниками в
кровь, но его влияние прекращается уже через короткое время. А тироксин сказывает
свое влияние через много часов после введения, которое продолжается очень длительное
время.
С другой стороны, тироксин и адреналин, как симпатикотропные гормоны, находятся в
некотором антагонистическом отношении с гормонами коры надпочечников — подобно отношениям симпатической и парасимпатической системы.
В самом деле, в противоположность тироксину и адреналину, корковые гормоны
обеспечивают синтез гликогена, его накопление и сохранение в печени и мышцах. Если
содержание сахара в крови и общий обмен веществ находятся ниже нормы, например, при
аддисоновой болезни, то гормоны коры нормализуют углеводный и общий обмен.
Поэтому гормоны коры надпочечников называют гормонами ассимиляции, отдыха,
накопления энергетических веществ в организме, ваготропными, или парасимпатическими
гормонами.
Как видите, противоположное, или антагонистическое влияние гормонов в конечном
результате приводит к обеспечению нормальной жизни и работоспособности организма.
Одни обеспечивают накопление и сбережение энергетических веществ, а другие гормоны
способствуют выявлению энергии этих соединений — в случаях определенной
необходимости.
ГОРМОНЫ ПОЛОВЫХ ЖЕЛЕЗ
Половые гормоны вырабатываются семенниками самцов и яичниками самок,
являющимися железами своеобразно смешанного типа: экскреторная часть этих органов
выделяет половые клетки, необходимые для оплодотворения, а инкреторная часть
вырабатывает гормоны, регулирующие условия и процессы оплодотворения, а также
дальнейшую судьбу плода.
МУЖСКОЙ ПОЛОВОЙ ГОРМОН
Мужским половым гормоном является тестостерон, вырабатываемый семенниками
половозрелых самцов.
При введении очень молодым самцам или взрослым кастрированным животным
тестостерон вызывает у них соответствующие изменения в половой сфере и проявление
вторичных половых признаков.
ЖЕНСКИЕ ПОЛОВЫЕ ГОРМОНЫ
1. Эстрадиол вырабатывается очередным фолликулом, созревающим во время полового
цикла.
2. Прогестерон получил свое название от сокращения нескольких латинских слов: pro
gestation steron, которые означают стерон, необходимый для беременности.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 18 из 44
Этот гормон вырабатывает желтое тело {corpus luteum), образующееся на месте
созревшего и лопнувшего фолликула, или Граафова пузырька. Поэтому прогестерон получил
второе название: лютеостерон.
Прогестерон, или лютеостерон, подготовляет слизистую оболочку матки для закрепления
оплодотворенного яйца, необходим для развития эмбриона, вызывает постепенное
увеличение матки, доразвитие молочных желез, дородовое угнетение лактотропного гормона
гипофиза, торможение очередного полового цикла, усиление действия окситоцина, вызывающего во время родов сокращение мускулатуры матки.
ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА
В передней доле гипофиза имеются следующие гормоны.
1. Гормон роста, при недостатке которого, например после экспериментального
удаления передней доли гипофиза, наступает резкое замедление роста молодого
животного. И наоборот, при длительном избыточном введении гормона у животных
отмечается гигантский рост.
2. Кортикотропный гормон, или АКТГ, стимулирует разви-тие и дальнейшую функцию
коры надпочечников.
2. Тиреотропныи гормон стимулирует развитие и дальней-шую работу щитовидной
железы.
3. Гонадотропные гормоны, по выражению известного эн-докринолога Зондека,
являются «мотором половой деятельности». Они стимулируют развитие, созревание и функцию
половых желез как мужских, так и женских.
а)
Фолликулостимулирующий гормон (пролан А) обуслов-ливает у самок рост
фолликулов, а у самцов — сперматоге-нез; белок молекулярного веса 67000.
б)
Лютеинизирующий гормон (пролан В) действует совместно с предыдущим
гормоном, стимулирует разрастание лейдиговских клеток яичек и яичников, вырабоку
в них
половых гормонов.
в)
Лютеотропный, или лактотропный гормон, пролактин
поддерживает функцию желтого тела и продолжение беременности, стимулирует выработку молока грудными железа
ми, возбуждает у птиц инстинкт насиживания, а у млекопитающих—инстинкт материнства.
Гормон представляет собой белок молекулярного веса 25000.
В задней доле гипофиза существуют следующие гормоны, изготовляемые теперь
синтетическим путем.
Вазопрессин суживает мелкие кровеносные сосуды, кроме почечных и мозговых, и таким
путем повышает кровяное давление, а также уменьшает выделение мочи и поэтому
называется антидиуретическим гормоном.
Окситоцин. Название этого гормона происходит от греческих слов: оксис—быстрый и токос—
роды. Гормон резко усиливает сокращение матки, особенно — беременной и применяется в
акушерско-гинекологической практике при сильных маточных кровотечениях.
Основные понятия:
гормон;
эндокринные железы;аденогипофиз; нейрогипофиз;
нейрогормоны.
Вопросы для самоконтроля:
1. Общее понятие о гормонах, их роль в обмене веществ.
2. Механизм действия гормонов.
3. Характеристика гормонов внутренней секреций, гипофиза и гипоталамуса.
4. Характеристика гормонов местного действия.
5. Практическое использование гормонов в медицине.
Рекомендуемая литература: 1 [342-376]
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 19 из 44
Микромодуль 2 – Энергетический обмен
Лекция 4. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ
Содержание лекционного занятия:
1. Понятие об обмене веществ
2. Обмен энергии
3. Основы биоэнергетики
Живые организмы характеризуются рядом признаков, коренным образом отличающих их
от неживых тел. Одним из таких признаков является обмен веществ — постоянно
протекающий, самосовершающийся, саморегулирующий процесс обновления живых
организмов. С прекращением обмена веществ прекращается жизнь. Обмен веществ включает в
себя разнообразные физиологические, физические и химические процессы.
К физиологическим процессам относится поступление питательных веществ (белков,
липидов, углеводов, минеральных веществ, воды, витаминов и др.) из окружающей среды и
выделение продуктов жизнедеятельности организма. Физические процессы — это сорбция,
всасывание, различные формы движения. К химическим процессам относятся распад
питательных веществ и синтез необходимых организму соединений.
В химических процессах обмена веществ выделяют внешний и промежуточный виды
обмена.
Внешний обмен — это внеклеточное превращение веществ на путях их поступления и
выделения.
Промежуточный обмен — это превращения веществ внутри клеток. Процессы промежуточного
обмена включают превращения компонентов пищи после их переваривания и всасывания.
Именно промежуточный обмен изучает динамическая биохимия.
Промежуточный обмен веществ иначе называют метаболизмом. Метаболизм — это
совокупность всех химических реакций в клетке. Вещества, образующиеся в ходе химических
реакций, принято называть метаболитами. Число химических реакций в клетках организма
человека огромно, но следует подчеркнуть, что все реакции протекают согласованно. Цепи
химических реакций образуют метаболические пути или циклы, каждый из которых выполнит
определенную функцию.
В метаболизме принято выделять два противоположных процесса - катаболизм и
анаболизм.
Катаболизм (в переводе с греческого — вниз) — это процессы распада веществ,
сопровождающиеся выделением энергии.
Анаболизм (в переводе с греческого — вверх) — процессы синтеза сложных молекул из
более простых, сопровождающиеся потреблением энергии.
ОБМЕН ЭНЕРГИИ
Обмену веществ сопутствует обмен энергии. Каждое органическое соединение живой
материи обладает определенным запасом энергии, которая заключена в химических связях
между атомами. При разрыве химической связи происходит изменение уровня свободной
энергии соединения. Если изменение уровня свободной энергии соединения при разрыве
химической связи составляет более 25 кДж/моль, такая связь называется макроэргической. Не
следует путать свободную энергию соединения с энергией связи, под которой понимается
энергия, необходимая для разрыва связи между двумя атомами в любой молекуле.
Соединения, содержащие макроэргические связи, называются макроэргическими.
Ключевым веществом в энергетическом обмене является АТФ, так как, с одной стороны,
она возникает из других макроэргических соединений в ходе некоторых реакции, а с другой ,
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 20 из 44
существует много процессов, в ходе которых синтезируются макроэргические соединения при
участии АТФ. АТФ является главным используемым непосредственно донором свободной
энергии.
Основными функциями метаболизма являются:
• Распад структурных компонентов клетки;
• Аккумуляция энергии, извлекаемой при распаде химических веществ;
• Использование энергии для синтеза необходимых молекулярных компонентов и
совершения работы.
Молодой растущий организм характеризуется преобладанием анаболических процессов над
катаболическими.
Окружающая среда воздействует на организм порой разрушающе. В организме есть
механизмы, способные поддерживать его в нормальном состоянии. Поддержание постоянного
внутреннего состояния организма называется гомеостазом и является следствием
метаболизма.
Биоэнергетика - это раздел биохимии, изучающий преобразование и использование энергии в
живых клетках.
Всем живым организмам необходима энергия из внешней среды, т. е. любая живая клетка
обеспечивает свои энергетические потребности за счет внешних ресурсов. К таким энергетическим
ресурсам можно отнести питательные вещества, расщепляющиеся в клетке до менее
энергетически ценных конечных продуктов. Речь уже шла о выделении энергии при катаболических
процессах. Теперь настало время показать, каким образом катаболизм связан с накоплением
энергии в форме АТФ.
Освобождение энергии при катаболизме питательных веществ. При рассмотрении катаболизма
различных субстратов условно можно выделить три этапа освобождения энергии.
Первый этап — подготовительный. На этом этапе происходит расщепление биополимеров,
поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, до мономеров.
Второй этап характеризуется частичным распадом мономеров до таких соединений, как
ацетил-КоА и метаболиты цикла Кребса — щавелевоуксусная, α-кетоглутаровая, фумаровая
кислоты. На втором этапе число субстратов сокращается до нескольких. На этом этапе
происходит освобождение до 20% энергии, заключенной в исходных субстратах, происходящее
в анаэробных условиях. Часть этой энергии аккумулируется в фосфатных связях АТФ, а
остальная рассеивается в виде тепла.
АТФ в анаэробных условиях образуется из АДФ и фосфата снятого с субстрата. Процесс
образования АТФ из АДФ и фосфата снятого с субстрата, называется субстратным
фосфорилированием. В процессе гликолиза можно найти два примера вышеназванного процесса:
1,3-Дифосфоглицериновая кислота + АДФ -» З-Фосфоглицериновая кислота + АТФ;
2-Фосфоенолпировиноградная к-та + АДФ -- Енолпировиноградная к-та + АТФ.
Однако посредством реакций субстратного фосфорилирования образуется сравнительно
небольшое количество АТФ.
Третий этап — это окончательный распад метаболитов до оксида углерода и воды. Он
протекает в аэробных условиях и представляет собой биологическое окисление. Окисление,
сопряженное с синтезом АТФ, называется сопряжением на уровне электронотранспортной
цепи. Иначе этот процесс называют окислительным фосфорилированием и отождествляют с
дыханием.
Примерно 80% всей энергии химических связей веществ освобождается на этом этапе. Еще раз
подчеркнем, что все процессы данного этапа освобождения энергии локализованы в митохондриях.
СТРУКТУРНЫЕ ОРГАНИЗАЦИЙ МИТОХОНДРИЙ
Митохондрии образно называют энергетическими станциями клетки; они найдены во всех
эукариотических клетках, однако их размер, форма и число различны в разных клетках. Все три харак теристики, видимо, меняются в ответ на изменения в метаболизме и в результате старения клеток.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 21 из 44
Кроме того, различные патологические изменения в клетках связаны также с изменением этих
характеристик митохондрий.
Исследования структурной организации митохондрий дали основание констатировать, что
митохондрия состоит из двух отдельных мембранных мешков — наружного и внутреннего, которые
разделены мембранным пространством, заполненным водой.
Наружная мембрана гладкая, а у внутренней мембраны имеется много нерегулярно
расположенных складок, простирающихся во внутреннюю область митохондрии. Такие
складки образованные внутренней мембраной, называются кристами. Внутреннее пространство
митохондрии называется митохондриальным матриксом. Наружная мембрана состоит из 50%
белков и 50% липидов, внутренняя мембрана — из 75% белков и 25% липидов.
Митохондрии отвечают за основные процессы аэробного метаболизма в клетке, в том
числе такие жизненно важные, как β-окисление ВЖК, цикл Кребса, окисление, сопряженное с
фос-форилированием АДФ.
ОКИСЛЕНИЕ, СОПРЯЖЕННОЕ С ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ АДФ
Атомы водорода, снятые с субстратов в цикле Кребса, в результате β -окисления ВЖК, а
также пируватдегидрогеназной, глутаматдегидрогеназной и некоторых других реакций,
поступают
в
дыхательную
цепь
ферментов,
которая
иначе
называется
электронотранспортной цепью.
Процесс переноса протонов и электронов (атом водорода = протон водорода (Н+) +
электрон (ё) ) начинается с передачи атомов водорода с восстановленной формы НАД или
ФАД.
Восстановленный НАД отдает водороды на флавопротеин, ко-ферментом которого
является ФМН, а восстановленный ФАД всегда передает водороды на кофермент Q. После
кофермента Q по системе цитохромов осуществляется транспорт только электронов; роль
конечного — терминального — акцептора электронов выполняет кислород.
Механизм сопряжения дыхания с фосфорилированием АДФ.
Транспорт протонов и электронов от восстановленного НАД к молекулярному кислороду
представляет собой экзергоническии процесс:
НАДН + Н+ + О2 -» НАД+ + Н2О + энергия
Если еще упростить запись этого процесса, то получим уравнение реакции горения водорода в
кислороде, которое известно всем со школьной скамьи:
Н2 + О2 -> Н2О + энергия
Разница состоит лишь в том, что при реакции горения энергия освобождается сразу полностью, а в
цепи дыхания, благодаря тому что она разбита на несколько окислительно-восстановительных
реакций, происходит поэтапное освобождение энергии. Эта энергия аккумулируется в
фосфатных связях АТФ и используется для жизнедеятельности клеток.
Синтез АТФ. Мембрана, на которой создается электрохимический трансмембранный
градиент протонов называется энергизированной. Энергизированная мембрана стремится
разрядиться за счет перекачки протонов из межмембранного пространства обратно в
матрикс. Этот процесс осуществляется с помощью протонзависимой АТФазы.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ РАСПАДА УГЛЕВОДОВ
И ТРИГЛИЦЕРИДОВ
Энергетический эффект какого-либо биологического вещества выражают количеством АТФ,
которое можно получить в данном процессе. Расчет энергетического эффекта биохимических процессов,
протекающих в анаэробных и аэробных условиях, следует производить по-разному.
Расчет энергетического эффекта гликолиза. Гликолиз — это анаэробный процесс.
Расчет энергетического эффекта полного распада глюкозы в аэробных условиях.
Суммируя энергетические эффекты всех этапов распада глюкозы в аэробных условиях,
получаем 38 моль АТФ.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 22 из 44
Расчет энергетического эффекта распада тригдицеридов. При гидролизе триглицеридов не
происходит ни затрат, ни образования АТФ. Энергетическую ценность имеют продукты
гидролиза — глицерин и высшие жирные кислоты.
Суммируя энергетические эффекты отдельных этапов превращения глицерина, получаем 22 моль
АТФ.
Энергетический эффект β-окисления ВЖК. Например, энергетический эффект β -окисления 1
моль стеариновой кислоты равен 147 моль АТФ.
Основные понятия: макроэргическая связь; субстратным фосфорилирование; биоэнергетика.
Вопросы для самоконтроля:
1. Объясните понятие «обмен веществ». Сочетанием каких процессов является обмен
веществ?
2. Что такое метаболизм? Какие два противоположных процесса выделяют в метаболизме?
Дайте краткую характеристику каждому из них.
3. Какие соединения называют макроэргическими?
4. На каком основании компоненты электронотранспортной
цепи относят к
оксидоредуктазам?
5. Для каких компонентов электронотранспортной цепи харак терен процесс: Fe3+, + е ->
2+
Fe ?
6. Почему количественное содержание белков во внутренней мембране митохондрий
больше, чем во внешней?
7. Напишите схему полного распада глутаминовой кислоты в аэробных условиях и
рассчитайте энергетический эффект этого процесса.
Рекомендуемая литература: 1 [695-708]
ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ
1. Универсальным аккумулятором, донором и трансформатором энергии в организме
является: а) ГТФ; б) АТФ; в) ЦТФ; г) 1,3-дифосфоглицериновая кислота; д) глюкозо-6фосфат.
2. Процесс синтеза АТФ, идущий сопряженно с реакциями окисления при участии
ансамбля дыхательных ферментов, называется: а) субстратным фосфорилированием; б)
фотосинтетическим фосфорилированием; в) окислительным фосфорилированием;
г) фосфотрансферазной реакцией.
3. Энергетически наиболее выгоден обмен углеводов, идущий по пути: а) гликогенолиза;
б) брожения; в) дыхания; г) гликолиза; д) глюконеогенеза.
4. Сукцинатдегидрогеназа, коферментом которой является ФАД, отдает атомы водорода,
снятые с сукцината, на: а) флавопротеин; б) кофермент Q; в) цитохром с; г)
железосерные белки.
5. Соотношение энергетических эффектов гликолиза и аэробного распада глюкозы
составляет: а) 1:2; б) 1:10; в) 1:15; г) 1:19; д) 1:38. Энергетический эффект в расчете на
единицу массы (аэробные условия) больше при распаде: а) глюкозы; б) тристеарина;
в) аспарагиновой кислоты; г) фосфодиоксиацетона; д) глицерина.
6. Энергетический эффект β-окисления пальмитиновой кисло
ты равен: а) 130; б) 147; в) 100; г) 437; д) 38.
Микромодуль 3 – Обмен и функции углеводов
Лекция 5-7. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Содержание лекционного занятия:
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 23 из 44
1. Анаэробный и аэробный распад углеводов
2. Распад глюкозы
3 Биосинтез углеводов
Катаболизм углеводов
Обмен углеводов играет важную роль в жизнедеятельности организма. Катаболизм
углеводов, с одной стороны, сопровождается освобождением энергии, которая может
накапливаться в макроэргических связях АТФ и использоваться в дальнейшем для синтеза
необходимых молекулярных компонентов клетки и совершения различных видов работы, с
другой стороны, образующиеся метаболиты служат исходными веществами для образования
биологически важных соединений, таких как аминокислоты, липиды, нуклеотиды.
Распад глюкозы
Распад глюкозы возможен двумя путями. Один из них заключается в распаде шестиуглеродной
молекулы глюкозы на две трехуглеродные молекулы. Этот путь называется дихотомическим
распадом глюкозы. При реализации второго пути происходит потеря молекулой глюкозы одного
атома углерода, что приводит к образованию пентозы, этот путь носит название апотомического
распада.
Дихотомический распад глюкозы может происходить как в анаэробных без присутствия
кислорода, так и анаэробных условиях в результате процесса молочнокислого брожения образуется
молочная кислота. Иначе этот процесс называется гликолизом.
Заключительной реакцией этого метаболического пути является молочная кислота,
которая образуется при восстановлении пировиноградной кислоты.
Аэробный обмен ПВК. В аэробных условиях пировиноградная кислота окисляется; этот
процесс называется окислительным декарбоксилированием пировиноградной кислоты.
Катализирует этот процесс мультиэнзимный комплекс, который называется пируватдегидрогеназным комплексом. В состав этого комплекса входят три фермента и пять
коферментов.
Первый этап аэробного превращения ПВК заключается в ее декарбоксилировании,
катализируемом
пируватдекарбоксилазой
(E1),
коферментом
которой
является
тиаминпирофосфат. В результате образуется оксиэтильный радикал, ковалентно связанный
с коферментом.
Фермент, ускоряющий второй этап окислительного декарбок-силирования ПВК, — липоатацетилтрансфераза содержит в своем составе два кофермента: липоевую кислоту и коэнзим A
(KoASH). Происходит окисление оксиэтильного радикала в ацетильный, который сначала
акцептируется липоевой кислотой, а затем переносится на KoASH. Результатом второго этапа
является образование ацетил-КоА и дегидролипоевой кислоты.
Заключительную стадию окислительного декарбоксилирования ПВК катализирует
дигидролипоилдегидрогеназа, коферментом которой является ФАД. Кофермент отщепляет два
атома водорода от дигидролитюевой кислоты, тем самым воссоздавая первоначальную структуру
данного кофермента:
Ацетил-КоА представляет собой соединение с макроэргической связью, иначе его можно
назвать активной формой уксусной кислоты. Освобождение коэнзима А от ацетильного
радикала происходит при включении его в амфиболический цикл, который называется циклом
ди- и трикарбоновых кислот.
Цикл ди- и трикарбоновых кислот. Этот амфиболический цикл называют циклом Кребса в
честь Г. Кребса (лауреата Нобелевской премии 1953 г.), определившего последовательность
реакций в этом Цикле.
В результате функционирования цикла Кребса происходит полный аэробный распад
ацетильного радикала до углекислого газа и воды.
Биосинтез углеводов
В тканях и органах человека происходит синтез сложных углеводов. Строительным блоком
(мономерным звеном) для синтеза служит глюкоза. Большая часть глюкозы поступает в организм
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 24 из 44
человека с пищей, однако при длительном голодании может включаться механизм синтеза
глюкозы из неуглеводных источников.
Глюконеогенез — процесс новообразования глюкозы из неуглеводных источников. В качестве
субстратов
глюконеогенеза могут
служить
аминокислоты,
превращающиеся
в
пировиноградную и в щавелевоуксусную кислоты; такие аминокислоты называются
гликогенными. К гликогенным относятся все протеиногенные аминокислоты, кроме лейцина.
Также к неуглеводным источникам глюконеогенеза относятся глицерин, кислоты цикла
Кребса, молочная кислота. Преобразование всех указанных веществ (кроме глицерина) в
глюкозу проходит через стадию пировиноградной и щавелевоуксусной кислот.
Глюконеогенез — регулируемый процесс, на скорость протекания которого оказывают
влияние гормоны. Инсулин тормозит образование углеводов из аминокислот,
кортикостероиды, наоборот, стимулируют глюконеогенез.
Столь подробное рассмотрение процесса глюконеогенеза связано с тем, что этот
метаболический путь использует молочную кислоту, накапливающуюся в мышцах во время
интенсивной мышечной работы. Следовательно, глюконеогенез, протекающий в печени,
можно рассматривать как приспособление для разгрузки организма от молочной кислоты,
образующейся в мышцах в анаэробных условиях.
Биосинтез гликогена. Иначе биосинтез гликогена называется гликогеногенезом. Он
осуществляется практически во всех тканях но особенно активно протекает в скелетных
мышцах и в печени. Биосинтез гликогена может идти двумя путями. Один из них
заключается в переносе олигосахаридных фрагментов с одного полисахарида на
существующий фрагмент гликогена, другой - в переносе остатков глюкозы. Источником
остатков глюкозы служит уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза), которая образуется из
глюкозо-1-фосфата и УТФ при участии фермента глюкозо-1-фос-фат-уридилтрансферазы:
Основные понятия: анаэробный распад; аэробный распад; цикл Кребса; глюконеогенез.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие органические вещества называются углеводами?
2. Какие функциональные группы входят в состав альдогексоз?
3. Напишите структурные формулы рибозо-5-фосфата, ксилулозо-5-фосфата, глюкозо-6фосфата, галактозо-1фосфата, фруктозо-1,6 дифосфата.
4. Напишите структурные формулу дисахарида, состоящего, из двух остатков глюкозы,
связанных между собой α-1,4-гликозидной связью. Как называется этот дисахарид?
5. Напишите схемы реакции с использованием структурных формул субстратов и продуктов
и с указанием ферментов, катализирующих данные реакции:
а) Глюкоза + АТФ --- Глюкозо-6-фосфат;
б) Фруктозо – 1,6-дифосфат ---3-Фосфорглицериновая альдегид + Фосфодиоксиацетон;
в) 3-Фосфоглицериновая кислота – 2-Фосфоглицериновая кислота;
г) Фосфоенолпировиноградная кислота + АДФ --- Пировиноградная кислота + АТФ;
д) Пировиноградная кислота + НАДН + Н+ --- Молочная кислота + НАД;
6. Для какого метаболического пути характерны реакции, представленные в упражнении 5?
7. Напишите структурные формулы ди- и трикарбоновых кислот, функционирующих в
цикле Кребса.
8. Напишите схемы четырех реакции цикла Кребса, катализируемых дегидрогенезами.
Отметьте коферменты дегидрогеназ.
9. Напишите схемы реакций, катализируемых: а) гликогенфос-. форилазой; б) глюкозо-6фосфатдегидрогеназой; в) лактоназой.
г) транскетолазой; д) трансальдолазой.
10. Из схемы глюконеогенеза выберите реакции, ускоряемые ферментами, относящимися к
классу гидролаз.
Рекомендуемая литература: 1 [165-196, 480-511]
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 25 из 44
ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ
1. К моносахаридам относятся: а) мальтоза; б) фруктоза; в) лактоза; г) гепаран; д)
гликоген.
2. Глюкоза является: а) кетогексозой; б) кетопентозой; в) альдогексозой; г)альдопентозой;
д) дисахаридом.
3. В состав сахарозы входят: а) две молекулы глюкозы; б) две молекулы фруктозы; в)
глюкоза и фруктоза; г) галактоза и глюкоза.
4. Продуктом фосфоролиза мальтозы является: а) глюкозаи галактоза; б) глюкозо-1фосфат и глюкоза; в) глюкозо-6-фосфат и глюкоза; г) глюкозо-1-фосфат и галактоза.
5. Реакция: АТФ + Глюкоза --- АДФ + Глюкозо-6-фосфат осуществляется при участии: а)
альдолазы; б) фосфоглюкомутазы; в)фосфорилазы; г) гексокиназы.
6. Коферментом изоцитратдегидрогеназы является: а) убихинон; б) ФМН; в) НАД; г)
пиридоксальфосфат; д) НАДФ.
7. Реакция: 6-Фосфоглюконат + НАДФ + --- Рибулозо-5-фосфат + СО2 + НАДФН + Н+
характерна: а) для гликолиза; б) для глюконеогенеза; в) для апотомического распада
глюкозы; г) для фосфоролиза; д) для цикла Кребса.
Микромодуль 3 – Обмен и функции липидов
ЛЕКЦИЯ 8-9. ОБМЕН ЛИПИДОВ
Содержание лекционного занятия:
1. Катобализм липидов
2. Биосинтез липидов
В тканях организма происходит непрерывное обновление липидов. Основную массу липидов
тела человека составляют триглицериды, которыми особенно богата жировая ткань. В виде
включений триглицериды имеются в большинстве тканей и органов. Поскольку липиды
выполняют энергетическую функцию, то процессы их обновления связаны с
мобилизацией и депонированием их в процессе образования энергии.
Катаболизм липидов
Обновление липидов тканей и органов организма требует предварительного
внутриклеточного ферментативного их гидролиза.
Гидролиз триглицеридов проходит в два этапа. На первом этапе происходит гидролиз
внешних сложноэфирных связей, ускоряет этот процесс фермент липаза. В клетках организма
человека функционирует несколько видов липаз, имеющих разную локализацию и оптимум рН.
В лизосомах локализованы кислые липазы (липазы, проявляющие максимальную активность в
кислой среде), в цитоплазме — нейтральные, в микросомах — щелочные. Активация липаз
происходит по механизму фосфорилирования — дефосфо-рилирования, как и у
гликогенфосфорилазы. Гидролиз триглицеридов называется липолизом.
Гидролиз фосфатидов. Фосфатиды распадаются на соответствующие структурные
компоненты: глицерин, ВЖК, фосфорную кислоту и азотистое основание. Процессы гидролиза
сложноэфирных связей в молекуле фосфатидов ускоряются различными по специфичности
фосфолипазами.
Продукты гидролиза триглицеридов и фосфатидов подвергаются дальнейшим
метаболическим превращениям.
Обмен глицерина может осуществляться несколькими путями. Значительная часть
образовавшегося при гидролизе липидов глицерина используется для ресинтеза
триглицеридов. Второй путь обмена глицерина — включение продукта его окисления в гликолиз или в глюконеогенез. Независимо от пути обмена начальным этапом является процесс
фосфорилирования глицерина, донором фосфатной группы является молекула АТФ:
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 26 из 44
Большая часть α-глицерофосфата используется для синтеза триглицеридов. Обмен глицерина
тесно связан с гликолизом, во второй этап которого вовлекаются его метаболиты:
Окисление жирных кислот. В 1904 г. Ф. Кнооп показал, что в митохондрии в ходе
окисления происходит постепенное уменьшение на два углеродных атома с карбоксильного
конца высшей мирной кислоты. Ф. Кнооп назвал механизм окисления ВЖК β-окислением.
β-окисление – это циклический процесс. Конечным продуктом β-окисления высших жирных
кислот является ацетил-КоА, дальнейший обмен которого зависит от состояния организма.
Однако, в какой бы путь обмена он не вставал, результатом будет освобождение КоА, запасы
которого в клетке ограничены. β –окисление ВЖК является одним из основных источников
получения энергии для синтеза АТФ в животной клетке.
Образование кетоновых тел.
Одним из процессов, в котором происходит регенирирование свободного КоА из его ацильных
производных, является образование ацетоуксусной кислоты. В этом процессе принимаю
участие три молекулы ацетил-КоА.
В результате конденсации трех молекул ацетил-КоА образуется молекула ацетоуксусной
кислоты и высвобождаются две молекулы КоА.
Ацетоуксусная кислота при восстановлении дает β-оксимасляную кислоту.
Ацетоуксусная и β-оксимасяляная кислоты синтезируются в печени и поступают с кровью к
мышечной и другим тканям, которые утилизуют их в цикле Кребса. Нарушения в обмене жиров
сопровождаются накоплением антиуксусной и β-оксимасляной кислот в крови. Ацетоуксусная
кислота может превращаться в ацетон.
Ацетоуксусная, β-оксмасляная кислоты и ацетон получили название кетоновых тел.
Усиленное образование их называется кетозом. Сотояние организма, при котором происходит
избыточное накопление кетоновых тел в крови, называют кетонемией, а выделение их с
мочой – кетонурией. Среди многих причин патологического накопления кетоновых тел
особенно важными считают дефицит поступающих с пищей углеводов и жирных кислот при
недостатке инсулина.
Биосинтез липидов
Основными структурными блоками триглицеридов и фосфатидов являются αглицерофосфат и ацильные производные КоА (ацил-КоА). α -Глицерофосфат образуется из
глицерина, возникающего при распаде глицеринсодержащих липидов, а высшие жирные
кислоты синтезируются из малонил-КоА. Рассмотрим подробно процесс биосинтеза ВЖК.
Синтез высших жирных кислот локализован в эндоплазматической сети клетки.
Непосредственным источником синтеза является малонил-КоА, образующийся из ацетилКоА и оксида углерода (IV) при участии АТФ.
Начальным этапом синтеза ВЖК является конденсация мало-нил-КоА с ацетил-КоА:
Образовавшийся β-кетобутирил-КоА сначала восстанавливается до β -оксибутирил-КоА,
который далее с участием дегидратазы превращается в кротонил-КоА, содержащий двойную
связь. Кротонил-КоА восстанавливается до бутирил-КоА.
Следует подчеркнуть, что ферменты редуктазы в своем составе содержат НАДФ.
Биосинтез ВЖК носит циклический характер. Синтезированный бутирил-КоА вступает в
новый цикл превращений, представленных выше. Для синтеза, например, пальмитиновой
кислоты нужно семь таких циклов; в каждом цикле происходит удлинение ацила на два
углеродных атома. По достижении ацильным радикалом длины в 16 и более атомов углерода
происходит его отщепление от фермента третьим доменом, обладающим тиоэстеразной активностью.
Синтез триглицеридов происходит при депонировании липидов в жировой или других
тканях организма. Локализован этот процесс на мембранах эндоплазматической сети.
Первой стадией синтеза триглицеридов является трансацилирование α-глицерофосфата с
образованием фосфатидной кислоты.
Далее фосфатидная кислота подвергается действию фосфатидат-фосфатазы с
образованием а,β-диацилглицерина.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 27 из 44
Ферменты, ускоряющие синтез триглицеридов, найдены в клетках печени, слизистой
оболочки кишечника, жировой ткани и др. Из тканей с интенсивным синтезом триглицеридов,
они мигрируют в ткани, где нет активного синтеза.
Синтез фосфатидов. Существует два. пути синтеза фосфатидов, причем для обоих
необходима цитидинтрифосфорная кислота (ЦТФ). Ниже представлен путь синтеза
фосфатидов из фосфатидной кислоты, синтез которой был рассмотрен выше.
Взаимодействие фосфатидной кислоты с ЦТФ приводит к образованию ЦДФдиацилглицерина, который как кофермент способен участвовать в переносе
диацилглицерина на азотистое основание, например серин. В результате этого превращения
образуется фосфатидилсерин, который можно рассматривать в качестве исходного соединения
для образования другого фосфатида — фос-фатидилэтаноламина.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Какие органические вещества называются липидами?
2. Какие химические компоненты входят в состав фосфатидов?
3. Напишите структурные формулы трипальмитина, пальмитодилаурина, пальмитостеароолеина.
Какие триглицериды входят в группу простых, а какие — смешанных триглицеридов?
4. Приведите схему гидролиза триолеина.
5. Напишите структурную формулу лецитина и схему гидролиза
его при участии фосфолипаз А 1 , А 2 и D.
6. Напишите схемы реакций с использованием структурных формул субстратов и продуктов, а
также ферментов, ускоряющих данные реакции:
а)Глицерин + АТФ -> Фосфоглицерин + АДФ;
б)Пальмитиновая кислота + АТФ + KoASH -> Пальмитин-КоА + АМФ + Н4Р2О7;
в) β-Оксилаурил-КоА + НАД + -» β-Кетолаурил-КоА + НАДН + Н+
г) Фосфоглицерин + 2 Пальмитил-КоА -> а, β-Дипальмитил- глицерофосфат + 2КоА.
7. Напишите схему третьего этапа β-окисления пальмитиновой
кислоты.
8. Из глицерина, пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот проведите синтез
триглицерида. Какие соединения (кроме ферментов) необходимые для осуществления
синтеза триглицерида не указаны в задании?
9. Сколько молекул АТФ необходимо для осуществления синтеза триглицерида по
условию упражнения 8?
10.Приведите схему синтеза лецитина.
Основные понятия: триацилглицерол; фосфотиды; липолиз; β-окисление; кетоз.
Вопросы для самоконтроля:
1. Сложные эфиры ВЖК с глицерином и полициклическими спиртами составляют
группу: а) сложных липидов; б) простых липидов; в) фосфатидов; г) диольных липидов.
2. В 1867 г. К.С. Дьяконовым впервые было установлено наличие в лецитинах азотистого
ингредиента: а) холина; б) серина; в)треонина; г) этаноламина; д) этиламина.
3. Липиды в виде комплексов с белками входят в состав: а)
мультиэнзимных
комплексов; б) рибосом; в) синтетазы ВЖК; г) биологических мембран.
4. Главными липидами мембран являются:а) диольные липиды; б)триглицериды; в)
гликолипиды; г) фосфолипиды; д) воски.
5. Сложноэфирные связи в молекулах триглицеридов подвергаются гидролизу при участии:
а) фосфолипазы; б) ацетилхолинэстеразы; в)липазы; г)алиэстеразы; д) фосфорилазы.
6. Высшие жирные кислоты в процессе их катаболизма разрушаются преимущественно
путем: а) процессов восстановления; б) α-окисления; в) β-окисления; г)
декарбоксилирования; д) гидролиза.
7. Процесс биосинтеза ВЖК локализован: а) во внешней мембране митохондрий; б) во внутренней мембране митохондрий;
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 28 из 44
в) в клеточной мембране; г) в ядерной мембране; д) в мембране
эндоплазматического ретикулума.
Рекомендуемая литература: 1 [200-234, 523-526, 552-553]
Микромодуль 5 – Обмен и функции белков
Микромодуль 5.1 – Обмен аминокислот
Лекция 10-11. ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ
Содержание лекционного занятия:
1. Распад белков
2. Метаболизм аминокислот
3. Пути связывания аммиака
Белки являются основным строительным материалом различных биологических структур
клеток организма, поэтому обмен белков играет первостепенную роль в их разрушении и
новообразовании.
Распад белков
Главным путем распада белков в организме является ферментативный гидролиз, называемый
протеолизом. В желудочном соке находится пепсин. Субстратом пепсина могут быть как нативные,
так и денатурированные при термической обработке продуктов белки пищи. Пепсин быстро
гидролизует в белках пептидные связи образованные карбоксильными группами
ароматических аминокислот — фенилаланина, тирозина, триптофана. Медленнее пепсин
гидролизует пептидные связи, образованные каробксильньгми группами лейцина,
аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Протеолиз в кишечнике обеспечивает ряд ферментов: трипсин, химотрипсин,
карбоксипептидазы А и В, дипептидазы и др.
Трипсин гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами
аргинина и лизина, химотрипсин — фенилаланина, тирозина и триптофана; действие этих
ферментов приводит к более глубокому гидролизу белков по сравнению с гидролизом в
желудке. Карбоксипептидаза А быстро отщепляет с С-конца образовавшихся олигопептидов
аминокислоты с ароматическими или алифатическими боковыми радикалами. Карбоксипептидаза В действует только на пептиды, имеющие на С-конце остатки аргинина или
лизина.
Слизистая кишечника содержит группу аминопептидаз, которые при действии на
полипептидные цепи поочередно освобождают N-концевые аминокислоты. Здесь же
локализованы и дипептидазы, гидролизуюшие дипептиды.
Белки пищи при участии перечисленных ферментов гидролизуются до свободных
аминокислот.
Всасывание аминокислот происходит главным образом в тонком кишечнике, где
функционируют
специфические
системы
транспорта
аминокислот.
Кровотоком
аминокислоты транспортируются во все ткани и органы.
Метаболизм аминокислот
Аминокислоты, которые поступают в организм в количествах, превышающих потребности
биосинтеза клеточных белков, не могут запасаться и подвергаются метаболическим
превращениям. Наиболее распространенными и важными реакциями, в которых участвуют
аминокислоты, являются трансаминирование (переаминирование), окислительное
дезаминирование и декарбоксилирование.
Переаминирование представляет собой взаимопревращение α-аминокислоты и αкетокислоты, катализируемое аминотрансферазой.
Окислительное дезаминирование аминокислот происходит в клетках печени и почек.
Продуктами окислительного дезаминирования аминокислот являются соответствующие αкетокислоты.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 29 из 44
Декарбоксилирование аминокислот — важный метаболический процесс, в результате
которого из аминокислот образуются биологически активные амины. Декарбоксилазы
аминокислот — сложные ферменты, коферментом которых является пиридоксальфосфат.
ПУТИ СВЯЗЫВАНИЯ АММИАКА
Аммиак токсичен для центральной нервной системы, поэтому в организме существуют
процессы, в которых происходит связывание (дезактивация) аммиака.
Основным путем связывания аммиака в мозге является образование глутамина.
Глутамин может использоваться не только для синтеза белка, но и для других
метаболических процессов, следовательно, его можно рассматривать как хранилище аммиака.
Подобным образом происходит образование аспарагина, катализируемое соответствующей
синтетазой.
Основным путем связывания аммиака является орнитиновый цикл, называемый также
циклом мочевины.
Новообразование аминокислот. Некоторые аминокислоты синтезируются путем
переаминирования: пировиноградная кислота является источником аланина, α-кетоглутаровая —
глутаминовой, а щавелевоуксусная — аспарагиновой кислот. Глутамин и аспарагин образуются путем
прямого аминирования из соответствующих аминокислот. Синтез других заменимых аминокислот
осуществляется в ходе более сложных реакций.
Аминокислоты служат исходным материалом для таких важных биологических соединений, как гем
гемоглобина, креатинфосфат, некоторые коферменты и, конечно же, белки.
Основные
понятия:
переаминирование;
декарбоксилирование;
окислительное
дезаминирование.
Вопросы для самоконтроля:
1. Строение и классификация аминокислот.
2. Физико-химические свойства аминокислот.
3. Какие функциональные группы аминокислот обусловливают кислотные и основные
свойства белков,
4. Уровни структурной организации молекулы белка.
5. Характеристика простых белков.
Рекомендуемая литература: 1 [40-67, 566-578]
Микромодуль 5.2 – Обмен нуклеотидов
Лекция 12-13. ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ
Содержание лекционного занятия:
1. Понятие о нуклеиновых кислотах
2. Нуклеотиды и нуклеозиды
3. Нуклеиновый обмен
Понятие о нуклеиновых кислотах. Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых
служат нуклеотиды, связанные между собой фосфодиэфирными связями.
В состав нуклеотидов входят следующие компоненты: углевод (рибоза в РНК, 2-дезоксирибоза в
ДНК), азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и урацил в РНК; аденин, гуанин, цитозин и
тимин в ДНК), фосфорная кислота. Примером трифосфатного нуклеотида может служить АТФ.
Транспортные РНК (тРНК) составляют 10% от всех РНК клетки. Основной функцией тРНК является
перенос аминоацилов из цитоплазмы на рибосому, где происходит биосинтез белка.
Рибосомные РНК (рРНК) составляют основную массу клеточных (80—85%).
Матричные РНК (мРНК). На долю мРНК приходится 3,5% всех клеточных РНК.
Матричные мРНК очень разнообразны, что понятно: в них закодирована информация о
различных белках.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 30 из 44
Все упомянутые РНК взаимодействуют друг с другом в процессе биосинтеза белка.
Основной принцип взаимодействия — комлле-ментарность. Комплементарность — это
взаимосоответствие азотистых оснований: аденину соответствует урацил, а гуанину —
цитозин; пары комплементарных азотистых оснований связаны друг с другом водородными
связями.
Обмен сложных белков — нуклеопротеидов — приобрел особенно важное значение в
связи с усиленным изучением роли нуклеиновых кислот в организме.
Нуклеопротеиды и нуклеиновые кислоты содержатся в наибольшем количестве в
клеточных ядрах, почему и получили свое название: nucleus — ядро.
Переваривание нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот и всасывание продуктов их
расщепления происходят в пищеварительном тракте. Первыми веществами гидролиза нуклеопротеидов являются белки и нуклеиновая кислота, или полинуклеотид, что осуществляют
пепсин и соляная кислота желудка, а в тонком кишечнике — трипсин.
Белок подвергается дальнейшему — обычному расщеплению до аминокислот, а
полинуклеотиды распадаются в тонком кишечнике на мононуклеотиды. ДНК расщепляются
дезо-ксирибонуклеазой, или ДНК-азой, а РНК — рибонуклеазой, или РНК-азой,
выделяемыми поджелудочной железой и тонким кишечником. Часть образовавшихся
мононукдеотидов расщепляется фосфатазой кишечника на фосфорную кислоту и
нуклеозиды.
Следовательно, конечными продуктами переваривания нуклеопротеидов и нуклеиновых
кислот являются мононуклеотиды и нуклеозиды. Они всасываются кишечником, приносятся
кровью в печень и различные ткани, где частично затрачиваются на синтез клеточных
нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов, а частью расщепляются до конечных продуктов
нуклеинового обмена, выводимых мочой.
Внутриклеточный нуклеиновый обмен касается изношенных или обновляемых
нуклеиновых соединений, а также частя всосавшихся ненужных нуклеотидов и
нуклеозидов. При этом в тканях, преимущественно в печени, происходят следующие'
превращения.
Тканевые ДНК-аза и РНК-аза расщепляют нуклеиновые кислоты на мононуклеотиды.
Фосфатаза отщепляет от них фосфорную кислоту, вследствие чего образуются нуклеозиды.
Тканевая нуклеозидаза расщепляет нуклеозиды на рибозу, пиримидиновые и пуриновые
основания. Рибоза после некоторых превращений окисляется до СО2 и Н2О, а фосфорная
кислота затрачивается на различные надобности организма или выводится с мочой в виде
фосфорных солей.
Азотистые циклические основания нуклеиновых кислот — пиримидиновые и пуриновые
вещества — подвергаются дальнейшим превращениям. К пиримидиновым основаниям относятся цитозин, тимин и урацил.
Вероятно, пиримидиновые азотистые основания при окислении и других изменениях
образуют конечный продукт обмена — мочевину, что было установлено относительно урацил а.
Обмен нуклеопротеидов медики часто называют пуриновым обменом. К этим основаниям
относятся аденин и гуанин. Они являются производными пурина и содержат аминогруппу,
вследствие чего называются аминопуринами.
Строение, превращения к конечный продукт обоих аминопуринов в принципе одинаковы.
Поэтому вначале проследим судьбу аденина.
Аденн под влиянием аденазы окислительно дезаминируется в оксипурин, или
гипоксантин. Последний, присоединяя молекулу воды и отщепляя два атома водорода,
окисляется в диоксипурин, или ксантин. Ксантин таким же путем окисляется в
триоксипурин, или мочевую кислоту. Оба последние процесса обусловливает
ксантиноксидаза. Вероятно, в тканях человека и высших животных дезаминирование аденина
происходит еще в составе нуклеозидов;
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 31 из 44
Гуанин как оксиаминопурин, окислительно дезаминируясь гуаназой, сразу же
превращается в диоксипурин, или ксантин, окисляемый затем в мочевую
кислоту.
Следовательно, судьба гуанина такая же, как и аденина.
Таким образом, у человека, а также у птиц, конечным продуктом пуринового обмена
является мочевая кислота. Но у большинства млекопитающих мочевая кислота окисляется
далее в аллантоин — с разрывом одного кольца. Мочевая кислота очень трудно
растворяется в воде: 1 : 40000! В тканях, крови и моче она содержится в виде несколько
более растворимых мочекислых солей натрия, которые, называются уратами: первичными
или вторичными — в зависимости от содержания одного или двух атомов натрия в
молекуле. В таком виде мочевая кислота и выводится с мочой.
ПОДАГРА КАК ПАТОЛОГИЯ ПУРИНОВОГО ОБМЕНА
Нарушение пуринового обмена вызывает особое заболевание — подагру, название
которой происходит от греческих слов: поус — нога, агриос — жестокая. Болезнь
представляет собой «привилегию» людей, по-видимому, потерявших в порядке эволюции
способность превращать мочевую кислоту в аллантоин, хорошо растворимый в воде и
потому не приводящий к подагре. Чаще всего подагрой страдают мужчины, притом
пожилого возраста, длительно потреблявшие преимущественно обильную мясную пищу,
особенно печень и почки, богатые пуринами.
Заболевание характерно хроническим, периодически обостряющимся воспалением
суставов и окружающих тканей, в которых происходит отложение кристаллических
мочекислых солей. При этом поражаются суставы, главным образом стопы, особенно часто
— большого пальца. Форма суставов обезображивается при этом; вблизи суставов также
образуются очаги воспаления, или подагрические узлы. Время от времени происходят
подагрические приступы: обострение процесса с местными жестокими болями.
Для лиц, страдающих подагрой, в ряде случаев характерно повышенное содержание
мочекислых солей в крови и пониженное выведение уратов с мочой. Перед приступом
обычно наблюдается особо резкое понижение выведения мочекислых солей; после же
приступа, наоборот, выведение уратов значительно усиливается.
Основные понятия: пуриновые и пиримидиновые основания; нуклеотиды; нуклеозиды.
Вопросы для самоконтроля:
1. Гидролиз нуклеопретеинов.
2. Назовите нуклетиды и нуклеозиды ДНК и РНК.
3. Метаболизм нуклеопротеинов. Гипоксантин и ксантин. Мочевая кислота и аллонтоин.
Подагра.
4. Распад пиримидиновых оснований.
5. Биосинтез пуриновых и пиримидиновых оснований и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК)
в организме.
Рекомендуемая литература: 1 [381-397, 628-632]
Микромодуль 6 – Биосинтез белка
Лекция 14. Биосинтез белка
1. Понятие о генетическом коде, кодоне.
2. Основные этапы биосинтеза белка.
3. Регуляция белкового обмена.
Биосинтез белка представляет собой удивительный и очень сложный процесс. Сложный, хотя бы
потому, что в нем принимают участие многие биологические соединения и надмолекулярные
комплексы. Биосинтез белка является завершающим этапом реализации генетической информации,
закодированной в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Посредником в передаче
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 32 из 44
генетической информации является матричная, или информационная, рибонуклеиновая кислота
(мРНК). Биосинтез белка невозможен без участия еще двух видов РНК — транспортных (тРНК) и
рибосомных (рРНК).
Условно процесс биосинтеза белка можно разделить на два этапа, имеющих разную
локализацию: первый этап — цитоплазматический, второй — рибосомный.
Цитоплазматический этап биосинтеза белка. Во всех типах клеток первой стадией
биосинтеза белка является превращение аминокислоты в аминоацил-тРНК. Этим достигаются
две цели:
• повышение реакционной способности аминокислоты в реак-ции образования пептидной
связи (активация);
• соединение аминокислоты со специфической тРНК (отбор).Катализируют процесс
активации и отбора аминокислот ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы (АРСазы).
Рибосомный этап биосинтеза белка. Трансляция мРНК в полипептидную цепь происходит
на рибосомах. В клетках организма человека большая часть рибосом связана с мембранами
эндоплазматического ретикулума.
В процессе трансляции можно выделить три этапа:
1) инициация;
2) элонгация (удлинение полипептидной цепи);
3) терминация синтеза.
Инициация синтеза белка. Для начала синтеза полипептидной цепи необходимы:
рибосома, мРНК, инициирующая N-формил-метионил-тРНКмет, белковые факторы
инициации, гуанозинтрифосфорная кислота (ГТФ). Во всех синтезируемых белках первой
аминокислотой является N-формилметионин, кодируемый кодо-ном мРНК—АУГ, названным
инициирующим кодоном. Радикал формил защищает аминогруппу (N-конец) метионина
растущей полипептидной цепи.
Белковые факторы трансляции — семейство белков, не входящих в состав рибосомы
постоянно, взаимодействуют с ней на разных этапах трансляции. На каждом этапе синтеза
полипептидной цепи принимают участие разные белковые факторы. На этапе инициации
принимают участие белковые факторы инициации, отвечающие за присоединение мРНК к
рибосоме и за закрепление N-формилметионил-тРНК на кодоне АУГ. тРНК мет закрепляется
на кодоне АУГ с помощью комплементарного тринуклеотида УАЦ, который называется
антикодоном.
В результате согласованного действия всех участников этапа инициации происходит сборка
транслирующей рибосомы — комплекса, состоящего из рибосомы, мРНК и N-формилметионилтРНК. Сборка транслирующей рибосомы является энергозависимым процессом, энергию для
которого поставляет гидролиз ГТФ. В транслирующей рибосоме выделяют два центра: пептидный (Р) и
аминоациль-ный (А). На этапе инициации N-формилметионил-тРНК присоединяется к мРНК в
пептидильном центре, все последующие амино-ацил-тРНК присоединяются к мРНК в аминоацильном
центре.
Элонгация полипептидной цепи. Этап элонгации условно можно разбить на три стадии. Первая
стадия отвечает за правильное закрепление аминоацил-тРНК на соответствующем кодоне мРНК в
аминоацильном центре рибосомы. Этому способствуют белковые факторы элонгации.
На второй стадии происходит образование пептидной связи между двумя аминокислотными
остатками; катализирует этот процесс пептидилтрансфераза. Сначала происходит разрыв сложноэфирной связи между N-формилметионил-тРНКмет; затем пептидилтрансфераза осуществляет
перенос N-формилметионила к аминогруппе аминоацила, закрепленного посредством тРНК в
аминоацильном центре рибосомы и образует пепсидную связь. В результате действия
пептидилтрансферазы в пептидильном центре остается свободная тРНК мет, а в аминоацильном —
дипептидил-тРНК.
На третьей стадии элонгации происходят три перемещения. Рибосома передвигается вдоль мРНК на
расстояние одного кодона. В результате такого перемещения кодон АУГ и тРНКмет оказываются за
пределами рибосомы, в пептидильном центре располагается дипептидил-тРНК, а аминоацильный центр
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 33 из 44
освобождается для новой ами-ноацил-тРНК. Третья стадия элонгации представляет собой пример
направленного биологического движения, энергию для которого обеспечивает гидролиз ГТФ,
называемого транслокацией. После транслокации рибосома готова к новому этапу элонгации.
Элонгация повторяется столько раз, сколько смысловых кодо-нов содержит мРНК.
Терминация полипептидной цепи. Этап терминации обеспечивают белковые факторы
терминации и фермент пептидилэстераза, локализованной в большой субчастице рибосомы.
Энергию для осуществления этапа терминации обеспечивает гидролиз ГТФ.
В структуре мРНК есть кодоны, не несущие информации ни об одной протеиногенной
аминокислоте. Они называются бессмысленными или терминаторными. Таковыми являются
кодоны УАА, УАГ, УГА. ЭТИ КОДОНЫ (либо один из них) расположены сразу за последним
смысловым кодоном мРНК. Ни одна тРНК не способна распознать терминаторные кодоны,
их опознают белковые факторы терминации. Как только рибосома достигает одного из них,
факторы терминации присоединяются к терминаторному кодону. В этот момент происходит
активирование пептидилэстера-зы, которая гидролизует сложно-эфирную связь между
полипептидом и последней тРНК.
Заключительной фазой терминации, а следовательно, и всего процесса трансляции,
является диссоциация комплекса, в который входят рибосома, мРНК, тРНК, вновь
синтезированный пептид и белковые факторы терминации.
Почти всегда мРНК транслируется одновременно множеством рибосом. Образующаяся
при этом структура называется полирибосомой или полисомой. Вероятно, преимущество
такого процесса заключается в возможности синтеза нескольких копий полипептида, прежде
чем мРНК будет расщеплена ферментами деструкции РНК. Размеры полисомных
комплексов сильно различаются, но обычно они определяются размерами молекулы мРНК.
Молекулы мРНК, состоящие из нескольких тысяч нуклео-тидных остатков, могут
образовывать комплексы с 50—100 рибосомами.
Процессинг белков. Большинство белков синтезируется в виде предшественников, не
обладающих нативной структурой. Процесс превращения белка-предшественника в зрелый
белок называется созреванием или процессингом. У разных белков процессинг протекает
различно, однако можно выделить отдельные этапы про-цессинга:
• Образование
дисульфидных
связей
между
боковыми
радикалами
остатков
цистеина,
стоящих
на
разных
участках
полипеп
тидной цепи.
• Расщепление
одной
или
большего
числа
определенных
пептид
ных связей и превращение полипептида-предшественника в ко-нечный продукт.
• Присоединение простетических групп (углеводов, липидов,коферментов и др.),
приводящее к образованию сложных белков и ферментов.
• Химическая модификация боковых радикалов некоторых аминокислотных остатков в
определенных белках (фосфорилиро- вание, метилирование, гидроксилирование,
карбоксилирование, йодирование и т. д.).
• Ассоциация субъединиц как необходимый этап для белков,обладающих четвертичной
структурой.
Код белкового синтеза. Передачу генетической информации от ДНК к белку мождно
выразить схемой: ДНК -» мРНК -» белок. Реализуется эта схема посредством сложных
биохимических процессов, протекающих в каждой клетке организма, один из которых —
биосинтез белка.
Путем сложных и кропотливых экспериментов было доказано соответствие кодонов мРНК
и определенных аминокислотных остатков в структуре белка. Известно, что 20 протеиногенных
аминокислот кодирует 61 кодон, т. е. многие аминокислоты кодируются несколькими
кодонами. Исключение составляют метионин и триптофан. Остальные 18 аминокислот
кодируются двумя и более кодонами.
Основные понятия: транскрипция; рекогнация; трансляция; инициация; элонгация;
терминация.
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 34 из 44
Вопросы для самоконтроля:
1. Какова специфичность действия протеолитических ферментов: химотрипсина, пепсина,
трипсина?
2. Как называются ферменты, ускоряющие гидролиз дипептидов?
3. Напишите структурную формулу тетрапептида (Н) тир-глу-гли-вал (ОН) и
последовательно подействуйте на него химотрипсином и карбоксипептидазой А. Назовите
образовавшиеся продукты реакций.
4. Какие продукты образуются при окислительном дезаминировании аспарагиновой
кислоты и аланина? Напишите схемы реакций и назовите продукты реакций и ферменты,
катализирующие эти реакции.
5. Какие диамины образуются в результате декарбоксилирования тирозина и гистидина?
Напишите схемы реакций декарбоксилирования названных аминокислот и укажите
ферменты, ускоряющие эти реакции.
6. Напишите уравнения реакций, протекающих по схеме:
КарбамоилфосфатСО, + NH, + 2АТФ синтетаза
Х
Орнитин-карбамоил
трансфераза
7. Приведите схему реакции активирования аланина и тирозина. Назовите продукты и ферменты,
ускоряющие эти реакции.
8. Напишите схему реакций, ускоряемых пептидилтрансферазой при биосинтезе трипептидного
фрагмента белка: -фмет-гли-вал.
9. Полипептидная цепь миоглобина содержит 153 аминокис лотных остатка. Рассчитайте, сколько
нуклеотидов в информатив ном участке мРНК миоглобина.
10. Кодон УГГ мРНК кодирует триптофан. Какую последовательность имеет антикодон тРНКтри?
Рекомендуемая литература: 1 [675-687]
ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ
1. Окислительное дезаминирование а-аминокислот приводит к образованию: а) α-оксикислот; б)
α-кетокислот; в) непредельных кислот; г) альдегидокислот.
2. В результате реакций декарбоксилирования происходит отщепление: а) оксида углерода (IV);
б) аммиака; в) воды; г) атомов водорода.
3. Субстратами дипептидазы являются: а) аминокислоты; б) полипептиды; в) дипептиды; г)
биогенные амины.
4. Ферменты аминотрансферазы ускоряют реакции: а) дезаминирования;
б)переаминирования; в) восстановительного аминирования; г) декарбоксилирования; д)
трансгликозилирования.
5. Рибосома представляет собой: а) надмолекулярный комплекс; б) клеточную органеллу; в)
мультиэнзимный комплекс; г) нуклеопротеин; д) сложный фермент.
6. При образовании аминоацил-тРНК возникает: а) простаяэфирная связь; б) пептидная связь;
в) гликозидная связь; г) сложноэфирная связь; д) водородная связь.
7. Инициирующим кодоном мРНК является: а) УУУ; б) АЦГ; г) АУГ; д) УАГ.
Микромодуль 7 – Единство и взаимосвязь обменов веществ
Лекция 10. ЕДИНСТВО И ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНОВ ВЕЩЕСТВ
1. Содержание лекционного занятия:
2. Связь между обменом углеводов, жиров и белков
Изучая обмен веществ, вы познакомились отдельно с обменом углеводов, затем — с
обменом жиров и, наконец, с белковым обменом. Такое деление процессов является ис-
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 35 из 44
кусственным, но удобным для изучения. B действительности обмен всех трех соединений
протекает в организме одновременно и совместно, хотя и в различном объеме.
Уже первый этап обмена — пищеварение — представляет собой одновременное
расщепление углеводов, жиров и белков. Люди биологически приспособились к
перевариванию смешанной пищи. Питание человека только одним каким-нибудь видом
пищевых веществ в скором времени вызывает у него расстройство пищеварения.
Суточная потребность человека в энергетических веществах равняется приблизительно
2500 калориям. Представьте себе рацион питания, составленный лишь из одного какогонибудь вещества: 600 граммов углеводов или 300 граммов жиров, или же 600 граммов
белка. Уже в первые дни у человека наступят глюкозурия и расстройство пищеварительного тракта.
Еще большая общность обмена различных соединений имеется при внутриклеточном
обмене. Одним из промежуточных продуктов расщепления углеводов является «активная
уксусная кислота», или ацетил-кофермент А. Но и при распаде жиров, и при окислении
углеродной цепочки аминокислот появляется то же самое промежуточное вещество.
Следовательно, именно в этом пункте, в момент образования одного и того же
промежуточного соединения углеводный, жировой и белковый обмен сливаются воедино. И
далее этот промежуточный продукт расщепляется в одном и том же цикле трикарбоновых
кислот до одних и тех же конечных продуктов обмена: до СО 2 и Н2О.
Однако при определенных условиях единство обмена различных веществ может опять
дифференцироваться и пойти по разным путям, но уже в других направлениях. На этом основана возможность взаимопревращений углеводов, жиров, аминокислот и перехода одного
вещества в другие.
Например, «активная уксусная кислота», получившаяся при расщеплении углеводов,
может синтезироваться в жирные кислоты и жиры. Таким же путем жиры образуются из
промежуточного продукта расщепления углеродной цепочки белков. И наоборот, при
сахарном диабете большое количество углеводов возникает из. уксусной кислоты,
появляющейся при окислении жиров и белков.
И, наконец, многие заменимые аминокислоты могут синтезироваться из промежуточных
продуктов расщепления углеводов и жиров путем их аминирования, или присоединения
аминогруппы. Так, из пировиноградной кислоты может образоваться аланин, из
кетоглютаровой и щавелевоуксуснои кислот, являющихся промежуточными веществами
цикла грикарбоновых кислот, — соответствующие аминокислоты: глютаминовая и
аспарагиновая.
Конечно, возможности синтеза аминокислот из других веществ очень ограничены по
сравнению с синтезом жиров и углеводов. Образование новых аминокислот может происходить только при наличии в тканях свободного аммиака, освобождающегося при
дезаминировании других аминокислот. Переаминирование, или перенос аминогрупп с одной
аминокислоты на другую, сумму аминокислот не меняет.
Животный организм не может усваивать азот из атмосферы или азотистых минеральных
веществ, как это делают растения и некоторые микроорганизмы. Тем более не может быть
речи о синтезе в животном организме более сложных — незаменимых аминокислот. Они
доставляются организму только с пищей.
Основные понятия: суточная потребность; энергетические вещества.
Вопросы для самоконтроля:
1. Общие закономерности взаимосвязи обмена веществ.
2. Взаимосвязь обмена углеводов и жиров.
3. В чем заключаются сходство и различие биосинтеза мочевины по Ненцкому и
Кребсу?
4. Чем отличается азотистое равновесие здоровых и лихо радящих людей?
5. Какие основные этапы азотистого круговорота на Земле?
Рекомендуемая литература: 1 [476-478]
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 36 из 44
3 ПРАКТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
3.1. ПЛАН ПРАКТИЧЕСКИХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
3.1.1. Качественный анализ жиро- и водорастворимых витаминов: А, Д, Е и др.
Цель занятия: приобрести навыки качественного обнаружения жиро- и водорастворимых
витаминов А,Д,Е,С. Результаты работ оформить в таблицах, обновить выводы.
Контрольные вопросы:
1. Характеристика витаминов. Химическая природа. Роль в обмене веществ и механизм их
действия.
2. Классификация, номенклатура
3. Понятие о гипо, гипер, поливитаминозах. Причины их возникновения.
Вопросы для самопроверки:
1. Чем отличается витамины по своему значению в организме от углеводов, жиров и
белков,
2. Что представляют собой провитамины?
3. Какие витамины синтезируются в организме человека?
4. Какие факторы могут вызывать развитие авитаминоза?
5. Значение витаминов для обмена веществ.
3.1.2. Ферменты
Цель занятия: изучить свойства ферментов: термомобильность, влияние рН среды на
активность и специфичность.
Результаты оформит в таблицах, обосновать выводы.
Контрольные вопросы:
1. Общее понятие о ферментах, номенклатура, классификация.
2. Основные свойства
3. Химическая природа, структура и функции
4. Изоферменты, проферменты
5. Факторы, влияющие на активность ферментов.
6. Механизмы действия ферментов.
Вопросы для самопроверки:
1. Как зависит активность ферментов от температуры и рН среды?
2. Чем обсловлено изменение активности ферментов при изменении рН среды?
3. Что такое денатурированный и нативный фермент?
4. Чем вы докажете, что ферменты по своей химической природе являются
специфическими белками? Приведите примеры.
5. К какому классу ферментов относятся каталаза, пероксидаза, фосфорилаза, мутаза,
карбоксилаза?
3.1.3. Гормоны:
Цель занятия: изучить качественные реакции на гормоны.
Реакция адреналина с йодом и с хлорным железом. Результаты работ оформить в таблицах,
обосновать выводы.
Контрольные вопросы:
1. Общее понятие о гормонах, их роль в обмене веществ.
2. Механизм действия гормонов
3. Классификация и характеристика отдельных представителей гормонов.
Вопросы для самопроверки:
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 37 из 44
1. Какие вещества вырабатывает гипоталамус? Их роль в деятельности желез внутренней
секреции.
2. Какое влияние на обмен веществ оказывают простагландины?
3. Инактивация гормонов.
4. Определите понятие «гормоноиды».
5. Роль стероидных гормонов в организме.
3.1.4. Обмен веществ и энергии (семинар).
Цель занятия: Ознакомиться с методами изучения обмена веществ и энергии.
Контрольные вопросы:
1. Понятие об обмене веществ.
2. Обмен веществ и энергии – единый взаимосвязанный процесс организма.
3. Основные этапы обмена веществ.
Вопросы для самопроверки:
1. Теория Баха
2. Теория Палладина-Виланда
3. Современное представление о биологическом окислении. Дыхательная цепь.
4. Окислительное фосфорилирование и свободное окисление. Коэффициент р/о
5. Общая
эффективность
аккумулирования
энергии
при
окислительном
фосфорилировании.
3.1.5. Обмен углеводов
Цель занятия: изучить механизм промежуточного обмена углеводов. Определение
молочного сахара в молоке рефрактометрическим методом.
Контрольные работы:
1. Значение углеводов в обмене веществ и энергии живого организма.
2. Моно-, ди-, полисахариды, их строение, распространение и роль.
3. Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Расщепление
клетчатки.
Вопросы для самопроверки:
1. Переваривание и всасывание углеводов в желудочно-кишечном тракте.
2. Промежуточный обмен. Гликолиз и гликогенолиз.
3. Анаэробное расщепление углеводов
4. Сходство и различие между гликолизом и спиртовым брожением.
5. Аэробный метаболизм молочной кислоты (лактата) до пирувата и ацетил КоА
6. Цикл Кребса, его биологическое значение
7. Баланс энергии
8. Регуляция и патология углеводного обмена
3.1.6. Обмен липидов
Цель занятия: Изучить превращения липидов в организме. Определение холестерола в
крови по методу Илька.
Контрольные вопросы:
1. Липиды. Нейтральные жиры. Химическое строение, свойства и роль.
2. Жироподобные вещества. Лецитины, кефалины, стериды, их значение и формулы.
3. Значение жиров в обмене веществ и энергии организма.
Вопросы для самопроверки:
1. Переваривание и механизм всасывания высших жирных кислот в желудочно-кишечном
тракте. Роль желчных кислот в этих процессах..
2. Промежуточный обмен липидов:
- окисление глицерина
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 38 из 44
- окисление высших жирных кислот по теории Ф. Кнопа. Кетоновые тела
- биосинтез нейтральных жиров, фосфатидов, стеридов
-регуляция и патология липидного обмена.
3. Синтез и отложение жиров в тканях.
4. Образование кетоновых тел.
Энергетический баланс жиров.
3.1.7. Обмен белков
Цель занятия: Определить общего белка в сыворотке крови рефрактометрическим
методом. Цветные реакции на белки.
Контрольные вопросы:
1. Аминокислоты, свойства
2. Структуры белков. Химические связи в белковой молекуле.
3. Классификация белков, характеристика.
Вопросы для самопроверки:
1. Биологическая ценность белков
2. Продукты гниения белков
3. Реакции превращения белков
4. Обезвреживание аммиака в тканях
5. Методы выделения и очистки белков
3.1.8. Обмен нуклеиновых кислот
Цель занятия: Изучить химический состав сложных белков-нуклеопротеидов
Контрольные вопросы:
1. Нуклеопротеины, их состав и структура
2. Основные структурные элементы
3. Строение, структура ДНК, РНК.
4. Виды РНК, функции.
Вопросы для самопроверки:
1. Отличие РНК от ДНК
2. Переваривание и всасывание нуклеиновых кислот на промежуточный обмен
3. Распад пуриновых и пиримидиновых оснований. Биосинтез пуринового ядра.
4. Регуляция и патология обмена нуклеиновых кислот
5. Обмен хромопротеинов
3.1.9. Единство и взаимосвязь обмена веществ
Цель занятия: Изучить взаимосвязь обменов углеводов, жиров, белков и нуклеиновых
кислот (семинар)
Контрольные вопросы:
1. Общие закономерности взаимосвязи обмена веществ
2. Взаимосвязь обмена углеводов и жиров
3. Взаимосвязь обмена углеводов и белков
4. Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и белков, и жиров, и углеводов
УМКД 042-18-10.1.53/03-2014
3
Ред. №2 от 11.09.2014 г.
стр. 39 из 44
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ОБУЧАЮЩЕГОСЯ
3.1 Перечень тем для самостоятельной работы обучающегося:
Самостоятельная работа обучающегося выполняется в виде подготовки презентаций в Power
Point или написание реферата объемом 5-7 страниц.
1 Фотосинтез (подготовка презентаций – 4 неделя)
2 Биологические мембраны (подготовка презентаций – 6 неделя)
3 Биохимия органов I (написание реферата – 12 неделя)
1) Биохимия крови;
2) Биохимия нервной ткани;
3) Биохимия мышечной ткани.
4
Биохимия органов II (написание реферата – 13 неделя)
1) Биохимия печени;
2) Биохимия почек и мочи;
3) Биохимия соединительной ткани;
4) Биохимия кожи.