Химия белков. Обмен углеводов и липидов. Биологическая роль витаминов. Функции и состав крови

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Химия белков. Ферменты. Биологическое окисление

- Строение первичной структуры белков. Назовите закономерности, характерные для первичной структуры полипептидной цепи

- Влияние активаторов и ингибиторов на скорость ферментативной реакции

2. Обмен углеводов: переваривание, всасывание. Пути использования глюкозы. Гормональная регуляция углеводного обмена

- Патология, связанная с нарушением переваривания углеводов. Непереносимость лактозы. Всасывание продуктов гидролиза. Мальабсорбция дисахаридов

- Использование неуглеводных компонентов для образования глюкозы. Глюконеогенез (глюкогенные аминокислоты, глицерин как источники синтеза глюкозы). Гормональная регуляция глюконеогенеза

3. Обмен липидов: переваривание и всасывание. Транспортные формы липидов. Катаболизм и анаболизм липидов

- Строение и классификация липидов

- Биосинтез триглициринов в печени и жировой ткани (исходные продукты, последовательность реакций, биологическое значение).

4. Обмен простых белков. Биологическая ценность белка. Переваривание, всасывание продуктов гидролиза. Пути использования аминокислот. Образование и обезвреживание аммиака.

- Критерии биологической ценности пищевых белков

- Охарактеризуйте конечные продукты азотистого обмена. Диагностическое значение их определение

5. Витамины: свойства, источники, потребность, биологическая роль. Гормоны: общие признаки, механизмы действия, роль в жизнедеятельности организма

- Пантотеновая кислота: активные формы, катализируемые реакции, клиника и диагностика гиповитаминоза

- Нарисуйте схему взаимосвязи нервной и эндокринной системы

6. Биохимия крови и печени

- Назовите и охарактеризуйте методы разделения белков сыворотки крови

- Желтуха новорожденных



1. Химия белков. Ферменты. Биологическое окисление

Строение первичной структуры белков. Назовите закономерности, характерные для первичной структуры полипептидной цепи.

Белки играют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, мак (протеины) которых, состоят из остатков аминокислот, соединенных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей, построенных из остатков аминокислот (полипептидных цепей), в макромолекулу белка могут входить также остатки или молекулы других органических соединений. На одном кольце каждой пептидной цепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом - свободная или амидированная карбоксильная группа.

Конец цепи с аминогруппой называется М-концом, конец цепи с карбоксильной группой -- С-концом пептидной цепи. Между СО-группой одной пептидной группировки и NH-группой другой пептидной группировки могут легко образовываться водородные связи.

Группы, входящие в состав радикала R аминокислот, могут вступать во взаимодействие друг с другом, с посторонними веществами и с соседними белковыми и иными молекулами, образуя сложные и разнообразные структуры.

В макромолекулу белка входит одна или несколько пептидных цепей, связанных друг с другом поперечными химическими связями, чаще всего через серу (дисульфидные мостики, образуемые остатками цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято называть первичной структурой белка или секвенцией.

Для построения пространственной структуры белка пептидные цепи должны принять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, которая закрепляется водородными связями, возникающими между пептидными группировками отдельных участков молекулярной цепи. По мере образования водородных связей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремясь к образованию максимального числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.

Впервые такая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти -- кератина Полингом американским физиком и химиком... Ее назвали -структурой или -спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6-3,7 остатков аминокислот. Расстояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра. Строение спирали стабилизируется внутримолекулярными водородными связями.

При растяжении спираль макромолекулы белка превращается в другую структуру, напоминающую линейную.

Но образованию правильной спирали часто мешают силы отталкивания или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерические препятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина и оксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.

Структура закреплена вследствие взаимодействия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяет химические и биологические свойства белков.

В зависимости от пространственной структуры все белки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).

Полипептидные цепи фибриллярных белков имеют форму спирали, которая закреплена расположенными вдоль цепи внутримолекулярными водородными связями. В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидные цепи расположены параллельно оси волокна, они как бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидные структуры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворы высокой вязкости. К фибриллярным белкам относятся белки, входящие в состав тканей и покровных образований. Это миозин -- белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основой седиментационных тканей и кожных покровов; кератин, входящий в состав волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этому же классу белков относится белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, затвердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеет вытянутые полипептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярными водородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическую прочность натурального шелка.

Пептидные цепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жестких шариков -- глобул. Молекулы глобулярных белков обладают низкой степенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это, прежде всего белки крови -- гемоглобин, альбумин, глобулин и др.

Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с промежуточной структурой белка могут сильно изменяться при замене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением конфигураций пептидных цепей и условий образования пространственной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функции в организме.



Состав и свойство белков

Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов. На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы - гемоглобина крови (C738H1166O208S2Fe)4 Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа -- 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имеющие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую степень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый индивидуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000-- 70000.

Строением белков объясняются их весьма разнообразные свойства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие -- в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть выделены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови).

Белки играют важнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварении белковые молекулы перевариваются до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наибольшая часть аминокислот расходуется на синтез белков различных органов и тканей, часть--на синтез гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служат как энергетический материал. Т.е. белки выполняют каталитические (ферменты), регуляторные (гормоны), транспортные (гемоглобин, церулоплазмин и др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции

Белки -- важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Совокупность непрерывно протекающих химических превращений белков занимает ведущее место в обмене веществ организмов. Скорость обновления белков у живых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологической ценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот

Белки растений беднее белков животного происхождения по содержанию незаменимых аминокислот, особенно лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля по аминокислотному составу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корме незаменимых аминокислот приходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена. Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышение качества белкового состава зерна.

Классификация белков

Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.

При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только -аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме аминокислот и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.

Протеины

Альбумины хорошо растворяются в воде. Встречаются в молоке, яичном белке и крови.

Глобулины в воде не растворяются, но растворимы в разбавленных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.

Глутелины растворяются только в разбавленных растворах щелочей. Встречаются в растениях.

Склеропротеины -- нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей коллаген, белок натурального шелка фиброин.

Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами).

Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, связанные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокислоты серина. К ним относится вителлин--белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.

Гликопротеиды содержат остатки углеводов. Они входят в состав хрящей, рогов, слюны.

Хромопротеиды содержат молекулу окрашенного вещества, обычно типа порфина. Самым важным хромопротеидом является гемоглобин -- переносчик кислорода, окрашивающий красные кровяные тельца.

Нуклеопротеиды -- протеины, связанные с нуклеиновыми кислотами. Они представляют собой очень важные с биологической точки зрения белки -- составные части клеточных ядер. Нуклеопротеиды являются важнейшей составной частью вирусов -- возбудителей многих болезней.

Определение строение белков

Определение строения белков является очень сложной задачей, но за последние годы в химии белка достигнуты значительные успехи. Помимо методов получения высокомолекулярных синтетических полипептидов, построенных из большого числа молекул одинаковых -аминокислот, разработаны методы синтеза смешанных полипептидов с заранее заданным порядком чередования различных -аминокислот путем постепенного их наращивания.

Полностью определена химическая структура нескольких белков: гормона инсулина, антибиотика грамицидин, фермента, расщепляющего нуклеиновые кислоты, рибонуклеазы, гормона аденокортикотропина, белка вируса табачной мозаики, миоглобина, гемоглобина и др. Частично определена структура некоторых других белков.

Изучение химического строения белка начинают с определения аминокислотного состава. Для этого используется главным образом метод гидролиза, т.е. нагревание белка с 6--10 моль/л соляной кислотой при температуре 100--110°С. Получают смесь а-аминокислот, из которой можно выделить индивидуальные аминокислоты.

Например, полный гидролиз одного трипептида приводит к образованию трех аминокислот: Для количественного анализа этой смеси в настоящее время применяют ионообменную и бумажную хроматографию. Сконструированы специальные автоматические анализаторы аминокислот. Итак, гидролиз белков, по существу, сводится к гидролизу полипептидных связей. К этому же сводится и процесс переваривание.

Разработаны также ферментативные методы ступенчатого расщепления белка. Некоторые ферменты расщепляют макромолекулу белка специфически -- только в местах нахождения определенной аминокислоты. Так получают продукты ступенчатого расщепления -- пептоны и пептиды, последующим анализом которых устанавливают их аминокислотный состав.

Значительно более сложным является определение последовательности амидокислот в пептидных цепях белка. С этой целью прежде всего определяют N- и С-концы полипептидных цепей, при этом решаются два вопроса--идентифицируются концевые аминокислоты и определяется число пептидных цепей, входящих в состав макромолекул белка. Для определения N-концов пептидной цепи получают N-производное концевой аминокислоты пептида, которое идентифицируют после полного гидролиза пептида. С-концы пептидных цепей определяются избирательным отщепление концевой аминокислоты с помощью специфического фермента -- карбоксипептидазы и последующей идентификацией этой аминокислоты. Если макромолекула белка состоит из двух (или более) пептидных цепей, как в случае инсулина, то избирательно разрушают дисульфидные мостики окислением (например, над-муравьиной кислотой) и затем полученные полипептиды разделяют путем фракционирования на ионитах. Для определения последовательности расположения аминокислот в каждой полипептидной цепи ее подвергают частичному кислотному гидролизу и избирательному расщеплению с помощью ферментов, каждый из которых разрывает полипептидную цепь только в определенных местах присоединения какой-то одной определенной аминокислоты или одного типа аминокислот (основных, ароматических). Таким образом, получают несколько наборов пептидов: которые разделяют, используя методы хроматографии и электрофореза. Строение коротких пептидов определяют последовательным отщеплением и идентификацией концевых аминокислот упомянутыми выше методами, а большие пептиды подвергают дополнительному расщеплению с последующим разделением и определением строения. Затем путем сложного сопоставления структуры различных участков пептидной цепи воссоздают полную картину расположения аминокислот в макромолекуле белка. Работа эта очень трудоемкая, и для определения химической структуры белка требуется несколько лет.

Для изучения пространственной структуры белка, последовательности соединения аминокислот в том или ином белке используют различные физико-химические методы, из которых наиболее эффективными оказались метод ступенчатого расщепления и рентгеноструктурный анализ.

Рентгеноструктурный анализ - метод исследования атомной структуры в-ва с помощью дифракции рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи взаимодействуют с электронными оболочками атомов. В результате этого взаимодействия происходит дифракция рентгеновских лучей и на фотопленке получается дифракционная картина -- пятна или окружности. Из дифракционной картины при помощи сложных расчетов устанавливают распределение электронной плотности в-ва, а по ней - род атомов и их расположение.

В настоящее время установлено, что большинство белков состоят из 22 качественно разных -аминокислот.

При образовании молекулы белка или полипептида а-аминокислоты могут соединяться в различной последовательности. Возможно огромное число различных комбинаций. Так же как, пользуясь 20...30 буквами алфавита, можно написать текст любой длины, так и из 20 -аминокислот можно образовать больше 1018 комбинаций. Существование различного типа полипептидов практически неограниченно.

Определение наличие белка:

Для идентификации белков и полипептидов используют специфические реакции на белки. Например:

а) биуретовая реакция

б) ксантопротеиновая реакция (появление желтого окрашивания при взаимодействии с онцентрированной азотной кислотой, которое в присутствии аммиака становится оранжевым; реакция связана с нитрованием остатков фенилаланина и тирозина);

в) реакция Миллона (образование желто-коричневого окрашивания при взаимодействии с Hg(NО3)2+HNО3+HNO2

г) нингидриновая реакция

д) при нагревании белков со щелочью в присутствии солей свинца выпадает черный осадок PbS, что свидетельствует о присутствии серусодержащих аминокислот.

е) сильное нагревание вызывает не только денатурацию белков, но и разложение их с выделением летучих продуктов, обладающих запахом жженых перьев.

Белки обычно образуют коллоидные растворы. Многие реагенты вызывают осаждение белков -- коагуляцию, которая может быть обратимой и необратимой. Например, этанол и ацетон коагулируют белки, но эта коагуляция является обратимой. В чистой воде коагулированные этим способом белки снова образуют коллоидный раствор. Обратимую коагуляцию вызывают также растворы некоторых солей (MgSO4 (NH4)2SO4 Na2SO4). Необратимую коагуляцию (денатурацию) белка вызывает кипячение, а также действие минеральных кислот, пикриновой кислоты, солей тяжелых металлов, танина.

Синтез пептидов

Синтез пептидов связан с рядом существенных трудностей. Прежде всего, необходимы оптические активные изомеры аминокислот. Кроме того, требуются специальные приемы для осуществления последовательного образования пептидных связей в нужной нам последовательности а-аминокислот: защита аминогрупп, активация карбоксильных групп, отщепление защитных групп, множество специальных реагентов.

Но грандиозная работа по анализу и синтезу белков в последний период революционизировалась благодаря использованию высокоэффективных автоматических приборов. К ним относят синтезаторы -- установки для синтеза, круглосуточно работающие без человека по заданной программе. Это одно из проявлений компьютеризации в химии. Создание таких автоматов стало возможным после появления новых плодотворных химических идей. Синтезаторы появились после предложения американским химиком P. Meрифилдом нового принципа -- синтеза на полимерном носителе, обладающем определенными функциональными группами.

Такой способ исключает необходимость выделения промежуточных продуктов на каждой стадии синтеза и легко подвергается автоматизации.

Изыскивая пути искусственного получения белка, ученые интенсивно изучают механизм его синтеза в организмах. Ведь здесь он совершается в «мягких» условиях, удивительно четко и с большой скоростью. (Молекула белка в клетке образуется всего за 2--3 с.) Выяснено, что синтез белков в организме осуществляется с участием других высокомолекулярных веществ -- нуклеиновых кислот. В настоящее время человек уже глубоко познал механизм биосинтеза белка и приступил к искусственному получению важнейших белков на основе тех же принципов, которые столь совершенно отработаны в процессе развития органического мира.

Кроме этого, промышленное получение белков осуществляется посредством микробиологического синтеза. Оказалось, что, размножаясь на соответствующей питательной среде, некоторые микроорганизмы могут создавать обильную белковую массу. На отходах гидролизного производства спирта из древесины, например, выращивают кормовые дрожжи для животноводства. Использование продуктов микробиологического синтеза в животноводстве позволяет значительно повышать его продуктивность.

Влияние активаторов и ингибиторов на скорость ферментативной реакции.

Кинетика ферментативных реакций - раздел энзимологии, изучающий зависимость скорости химических реакций, катализируемых ферментами, от химической природы реагирующих веществ, а также от факторов окружающей среды.

Для измерения каталитической активности ферментов используют такие показатели, как скорость реакции или активность фермента. Скорость ферментативной реакции определяется изменением количества молекул субстрата или продукта за единицу времени. Скорость ферментативной реакции - мера каталитической активности фермента, её обозначают как активность фермента.

Математически скорость ферментативной реакции выражается в изменении концентрации субстрата (уменьшение) или продукта (увеличение) за единицу времени:

V= D[S]/t = D[P]/t.

На начальном этапе [0-t0] скорость реакции прямо пропорциональна времени и имеет линейную зависимость. Графически изменение скорости ферментативной реакции определяется тангенсом угла наклона касательной к кривой профиля реакции. Чем больше угол

С течением времени изменение скорости ферментативной реакции в экспериментальных условиях уменьшается, об этом свидетельствует уменьшение угла наклона касательной в момент времени t. Снижение скорости ферментативной реакции может происходить за счёт ряда факторов: уменьшения концентрации субстрата, увеличения концентрации продукта, который может оказывать ингибирующее действие, могут происходить изменения рН раствора, инактивация фермента и т.д.

На этапе [t1-tx] скорость реакции изменяется нелинейно в зависимости от времени. Поэтому для определения скорости ферментативной реакции чаще всего исследуют изменение скорости на начальном этапе [t0-t1], где наблюдают линейное изменение концентрации продукта (или субстрата).

Скорость ферментативной реакции зависит от ряда факторов, таких как количество и активность ферментов, концентрация субстрата, температура среды, рН раствора, присутствие регуляторных молекул (активаторов и ингибиторов). Рассмотрим влияние этих факторов на скорость ферментативной реакции.

Зависимость скорости ферментативной реакции от количества ферментов

При проведении ферментативной реакции в условиях избытка субстрата скорость реакции будет зависеть от концентрации фермента. Графическая зависимость такой реакции имеет вид прямой линии (рис. 2-16). Однако количество фермента часто невозможно определить в абсолютных величинах, поэтому на практике пользуются условными величинами, характеризующими активность фермента: одна международная единица активности (ME) соответствует такому количеству фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 мин при оптимальных условиях проведения ферментативной реакции. Оптимальные условия индивидуальны для каждого фермента и зависят от температуры среды, рН раствора, при отсутствии активаторов и ингибиторов.

Зависимость накопления продукта (А) и убыли субстрата (Б) от времени (продолжительности) протекания реакции. Скорость ферментативной реакции определяется изменением концентрации продукта или субстрата за единицу времени. В реакциях, катализируемых ферментами 1 и 2, начальная скорость реакции, катализируемой ферментом 1, ниже, чем скорость реакции, катализируемой ферментом 2, так как тангенс угла наклона касательной к кривой профиля реакции, проведённой из "О" точки у второго фермента выше, как в случае накопления продукта (А), так и убыли субстрата (Б). Скорость в любой момент времени t определяется тангенсом угла наклона касательной к профилю реакции в момент времени t. Период времени ферментативной реакции [t0-t1] характеризуется линейным накоплением продукта (или убылью субстрата) в зависимости от длительности реакции. Период ферментативной реакции [t1-tx] характеризуется нелинейным накоплением продукта (или убылью субстрата) в зависимости от времени реакции.

Зависимость накопления продукта (А) и убыли субстрата (Б) от времени (продолжительности) протекания реакции. Скорость ферментативной реакции определяется изменением концентрации продукта или субстрата за единицу времени. В реакциях, катализируемых ферментами 1 и 2, начальная скорость реакции, катализируемой ферментом 1, ниже, чем скорость реакции, катализируемой ферментом 2, так как тангенс угла наклона касательной к кривой профиля реакции, проведённой из "О" точки у второго фермента выше, как в случае накопления продукта (А), так и убыли субстрата (Б). Скорость в любой момент времени t определяется тангенсом угла наклона касательной к профилю реакции в момент времени t. Период времени ферментативной реакции [t0-t1] характеризуется линейным накоплением продукта (или убылью субстрата) в зависимости от длительности реакции. Период ферментативной реакции [t1-tx] характеризуется нелинейным накоплением продукта (или убылью субстрата) в зависимости от времени реакции.

Количество единиц активности nME определяют по формуле:

В 1973 г. была принята новая единица активности ферментов: 1 катал (кат), соответствующий такому количеству катализатора, которое превращает 1 моль субстрата за 1 с. Количество каталов определяют по формуле:

n катал = Количество превращённого субстрата (моль)

Международная единица ферментативной активности ME связана с каталом следующими равенствами:

1 кат = 1 моль S/c = 60 моль S/мин = 60х106 мкмоль/мин = 6х107 ME,

1 ME = 1 мкмоль/мин = 1/60 мкмоль/с = 1/60 мккат = 16,67 нкат.

В медицинской и фармацевтической практике для оценки активности ферментов часто используют международные единицы активности - ME. Для оценки количества молекул фермента среди других белков данной ткани определяют удельную активность (уд. ак.) фермента, численно равную количеству единиц активности фермента (пМЕ) в образце ткани, делённому на массу (мг) белка в этой ткани:

Уд. ак. = Количество превращённого субстрата (мкмоль)

Время (мин) Ч Количество белка (мг)

По удельной активности судят об очистке фермента: чем меньше посторонних белков, тем выше удельная активность.

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры среды

Повышение температуры до определённых пределов оказывает влияние на скорость ферментативной реакции, подобно влиянию температуры на любую химическую реакцию. С повышением температуры ускоряется движение молекул, что приводит к повышению вероятности взаимодействия реагирующих веществ. Кроме того, температура может повышать энергию реагирующих молекул, что также приводит к ускорению реакции. Однако скорость химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается понижением ферментативной активности, возникающим из-за термической денатурации белковой молекулы.

Для большинства ферментов человека оптимальна температура 37-38°С. Однако в природе существуют и термостабильные ферменты. Например, Taq-полимераза, выделенная из микроорганизмов, живущих в горячих источниках, не инактивируется при повышении температуры до 95°С. Этот фермент используют в научно-практической медицине для молекулярной диагностики заболеваний с использованием метода полимеразной цепной реакции (ПЦР).

Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды

Активность ферментов зависит от рН раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует значение рН, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит к понижению ферментативной активности.

Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента. При изменении рН от оптимальных значений происходит изменение ионизации функциональных групп молекулы белка. Например, при закислении среды происходит протонирование свободных аминогрупп (NH3+), а при защелачивании происходит отщепление протона от карбоксильных групп (СОО-). Это приводит к изменению конформации молекулы фермента и конформации активного центра; следовательно, нарушается присоединение субстрата, кофакторов и коферментов к активному центру. Кроме того, рН среды может влиять на степень ионизации или пространственную организацию субстрата, что также влияет на сродство субстрата к активному центру. При значительном отклонении от оптимального значения рН может происходить денатурация белковой молекулы с полной потерей ферментативной активности.

Оптимум значения рН у разных ферментов различный. Ферменты, работающие в кислых условиях среды (например, пепсин в желудке или лизосомальные ферменты), эволюционно приобретают конформацию, обеспечивающую работу фермента при кислых значениях рН. Однако большая часть ферментов организма человека имеет оптимум рН, близкий к нейтральному, совпадающий с физиологическим значением рН.

Зависимость скорости ферментативной реакции от количества субстрата.

Если концентрацию ферментов оставить постоянной, изменяя только количество субстрата, то график скорости ферментативной реакции описывают гиперболой

При увеличении количества субстрата начальная скорость возрастает. Когда фермент становится полностью насыщенным субстратом, т.е. происходит максимально возможное при данной концентрации фермента формирование фермент-субстратного комплекса, наблюдают наибольшую скорость образования продукта. Дальнейшее повышение концентрации субстрата не приводит к увеличению образования продукта, т.е. скорость реакции не возрастает. Данное состояние соответствует максимальной скорости реакции Vmax.

Таким образом, концентрация фермента - лимитирующий фактор в образовании продукта. Это наблюдение легло в основу ферментативной кинетики, разработанной учёными Л. Михаэлисом и М. Ментен в 1913 г.

Ферментативный процесс можно выразить следующим уравнением: где k1 - константа скорости образования фермент-субстратного комплекса; k-1 - константа скорости обратной реакции, распада фермент-субстратного комплекса; k2 - константа скорости образования продукта реакции.

Следующее соотношение констант скоростей (k-1 + k2)/k1 называют константой Михаэлиса и обозначают Кm.

Скорость реакции пропорциональна концентрации фермент-субстратного комплекса ES, a скорость образования ES зависит от концентрации субстрата и концентрации свободного фермента. На концентрацию ES влияет скорость формирования и распада ES.

Наибольшая скорость реакции наблюдается в том случае, когда все молекулы фермента находятся в комплексе с субстратом, т.е. в фермент-субстратном комплексе ES, т.е. [Е] = [ES].

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата выражается следующим уравнением (математическое выведение этой формулы можно найти в пособиях по ферментативной кинетике):

V = Vmax[S]Km + [S]

Это уравнение получило название уравнения Михаэлиса-Ментен.

В случае, когда скорость реакции равна половине максимальной, Km = [S]. Таким образом, константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой достигается половина максимальной скорости.

Уравнение Михаэлиса-Ментен - основное уравнение ферментативной кинетики, описывающее зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Если концентрация субстрата значительно больше Km (S >> Km), to увеличение концентрации субстрата на величину Кm практически не влияет на сумму (Km + S) и её можно считать равной концентрации субстрата. Следовательно, скорость реакции становится равной максимальной скорости: V = Vmax. В этих условиях реакция имеет нулевой порядок, т.е. не зависит от концентрации субстрата. Можно сделать вывод, что Vmax - величина постоянная для данной концентрации фермента, не зависящая от концентрации субстрата.

Если концентрация субстрата значительно меньше Km(S << Km), то сумма (Km + S) примерно равна Кm, следовательно, V = Vmax[S]/Km, т.е. в данном случае скорость реакции прямо пропорциональна

Vmах и Km - кинетические характеристики эффективности фермента.

Vmax дает характеристику каталитической активности фермента и имеет размерность скорости ферментативной реакции моль/л, т.е. определяет максимальную возможность образования продукта при данной концентрации фермента и в условиях избытка субстрата. Кm характеризует сродство данного фермента к данному субстрату и является величиной постоянной, не зависящей от концентрации фермента. Чем меньше, тем больше сродство фермента к данному субстрату, тем выше начальная скорость реакции и наоборот, чем больше Кm, тем меньше начальная скорость реакции, тем меньше сродство фермента к субстрату.

2. Обмен углеводов: переваривание, всасывание. Пути использования глюкозы. Гормональная регуляция углеводного обмена

Патология, связанная с нарушением переваривания углеводов. Непереносимость лактозы. Всасывание продуктов гидролиза. Мальабсорбция дисахаридов

Углеводы - это многоатомные спирты содержащие оксогруппу. По количеству мономеров все углеводы делят на: моно-, ди-, олиго- и полисахариды. Моносахариды по положению оксогруппы делятся альдозы и кетозы.

По количеству атомов углерода моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.

Функции углеводов

Моносахариды - углеводы, которые не гидролизуются до более простых углеводов.

Моносахариды:

* выполняют энергетическую функцию (образование АТФ).

* выполняют пластическую функцию (участвуют в образовании ди-, олиго-, полисахаридов, аминокислот, липидов, нуклеотидов).

* выполняют детоксикационную функцию (произ¬водные глюкозы, глюкурониды, участвуют в обезвреживании токсичных метаболитов и ксенобиотиков).

* являются фрагментами гликолипидов (цереброзиды).

Дисахариды - углеводы, которые гидролизуются на 2 моносахарида. У человека образуется только 1 дисахарид - лактоза. Лактоза синтезируется при лактации в молочных железах и содержится в молоке. Она:

* является источником глюкозы и галактозы для новорожденных;

* участвует в формировании нормальной микрофлоры у новорожденных.

Олигосахариды - углеводы, которые гидролизуются на 3-10 моносахаридов.

Олигосахариды являются фрагментами гликопротеинов (ферменты, белки-транспортёры, белки-рецепторы, гормоны), гликолипидов (глобозиды, ганглиозиды). Они образуют на поверхности клетки гликокаликс.

Полисахариды - углеводы, которые гидролизуются на 10 и более моносахаридов. Гомополисахариды выполняют запасающую функцию (гликоген - форма хранения глюкозы). Гетерополисахариды (ГАГ) являются структурным компонентом межклеточного вещества (хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота), участвуют в пролиферации и дифференцировке клеток, препятствуют свертыванию крови (гепарин).



Углеводы пищи, нормы и принципы нормирования их суточной пищевой потребности. Биологическая роль

В пище человека в основном содержатся полисахариды -- крахмал, целлюлоза растений, в меньшем количестве - гликоген животных. Источником сахарозы служат растения, особенно сахарная свёкла, сахарный тростник. Лактоза поступает с молоком млекопитающих (в коровьем молоке до 5% лактозы, в женском молоке -- до 8%). Фрукты, мёд, соки содержат небольшое количество глюкозы и фруктозы. Мальтоза есть в солоде, пиве.

Углеводы пищи являются для организма человека в основном источником моносахаридов, преимущественно глюкозы. Некоторые полисахариды: целлюлоза, пектиновые вещества, декстраны, у человека практически не перевариваются, в ЖКТ они выполняют функцию сорбента (выводят холестерин, желчные кислоты, токсины и др.), необходимы для стимуляции перистальтики кишечника и формирования нормальной микрофлоры.

Углеводы -- обязательный компонент пищи, они составляют 75% массы пищевого рациона и дают более 50% необходимых калорий. У взрослого человека суточная потребность в углеводах 400 г/сут, в целлюлозе и пектине до 10-15 г/сут. Рекомендуется употреблять в пищу больше сложных полисахаридов и меньше моносахаров.

Переваривание углеводов

Переваривание это процесс гидролиза веществ до их ассимилируемых форм. Переваривание бывает:

1) Внутриклеточное (в лизосомах);

2) Внеклеточное (в ЖКТ):

а) полостное (дистантное);

б) пристеночное (контактное).

Переваривание углеводов в ротовой полости (полостное)

В ротовой полости пища измельчается при пережёвывании и смачивается слюной. Слюна состоит на 99% из воды и обычно имеет рН 6,8. В слюне присутствует эндогликозидаза б-амилаза (б-1,4-гликозидаза), расщепляющая в крахмале внутренние б-1,4-гликозидные связи с образованием крупных фрагментов -- декстринов и небольшого количества мальтозы и изомальтозы. Необходим ион Cl-.

Переваривание углеводов в желудке (полостное)

Действие амилазы слюны прекращается в кислой среде (рН <4) содержимого желудка, однако, внутри пищевого комка активность амилазы может некоторое время сохраняться. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих углеводы, в нем возможен лишь незначительный кислотный гидролиз гликозидных связей.

Переваривание углеводов в тонком кишечнике (полостное и пристеночное)

В двенадцатиперстной кишке кислое содержимое желудка нейтрализуется соком поджелудочной железы (рН 7,5--8,0 за счет бикарбонатов). С соком поджелудочной железы в кишечник поступает панкреатическая б-амилаза. Эта эндогликозидаза гидролизует внутренние б-1,4-гликозидные связи в крахмале и декстринах с образованием мальтозы (2 остатка глюкозы, связанные б-1,4-гликозидной связью), изомальтозы (2 остатка глюкозы, связанные б-1,6-гликозидной связью) и олигосахаридов, содержащих 3--8 остатков глюкозы, связанных б-1,4- и б-1,6-гликозидными связями.

Переваривание мальтозы, изомальтозы и олигосахаридов происходит под действием специфических ферментов - экзогликозидаз, образующих ферментативные комплексы. Эти комплексы находятся на поверхности эпителиальных клеток тонкого кишечника и осуществляют пристеночное пищеварение.

- изомальтазный комплекс состоит из 2 пептидов, имеет доменное строение. Из первого пептида образован цитоплазматический, трансмембранный (фиксирует комплекс на мембране энтероцитов) и связывающий домены и изомальтазная субъединица. Из второго - сахаразная субъединица. Сахаразная субъединица гидролизует б-1,2-гликозидные связи в сахарозе, изомальтазная субъединица - б-1,6-гликозидные связи в изомальтозе, б-1,4-гликозидные связи в мальтозе и мальтотриозе. Комплекса много в тощей кишке, меньше в проксимальной и дистальной частях кишечника.

Гликоамилазный комплекс, содержит две каталитические субъединицы, имеющие небольшие различия в субстратной специфичности. Гидролизует б-1,4-гликозидные связи в олигосахаридах (с восстанавливающего конца) и в мальтозе. Наибольшая активность в нижних отделах тонкого кишечника.

в-Гликозидазный комплекс (лактаза) гликопротеин, гидролизует в-1,4-гликозидные связи в лактозе. Активность лактазы зависит от возраста. У плода она особенно повышена в поздние сроки беременности и сохраняется на высоком уровне до 5-7-летнего возраста. Затем активность лактазы снижается, составляя у взрослых 10% от уровня активности, характерного для детей.

Трегалаза гликозидазный комплекс, гидролизует б-1,1-гликозидные связи между глюкозами в трегалозе -- дисахариде грибов.

Переваривание углеводов заканчивается образованием моносахаридов - в основном глюкозы, меньше образуется фруктозы и галактозы, еще меньше - маннозы, ксилозы и арабинозы.

Всасывание углеводов

Моносахариды всасываются эпителиальными клетками тощей и подвздошной кишок. Транспорт моносахаридов в клетки слизистой оболочки кишечника может осуществляться путём диффузии (рибоза, ксилоза, арабиноза), облегчённой диффузии с помощью белков переносчиков (фруктоза, галактоза, глюкоза), и путем вторично-активного транспорта (галактоза, глюкоза). Вторично-активный транспорт галактозы и глюкозы из просвета кишечника в энтероцит осуществляется симпортом с Na+. Через белок-переносчик Na+ двигается по градиенту своей концентрации и переносит с собой углеводы против их градиента концентраций. Градиент концентрации Na+ создаётся Nа+/К+-АТФ-азой.

При низкой концентрации глюкозы в просвете кишечника она транспортируется в энтероцит только активным транспортом, при высокой концентрации - активным транспортом и облегчённой диффузией. Скорость всасывания: галактоза > глюкоза > фруктоза > другие моносахариды. Моносахариды выходят из энтероцитов в направлении кровеносного капилляра с помощью облегченной диффузии через белки-переносчики.

Нарушение переваривания и всасывания углеводов

Недостаточное переваривание и всасывание переваренных продуктов называют мальабсорбцией. В основе мальабсорбции углеводов могут быть причины двух типов:

1). Наследственные и приобретенные дефекты ферментов, участвующих в переваривании. Известны наследственные дефекты лактазы, б-амилазы, сахаразно-изомальтазного комплекса. Без лечения эти патологии сопровождаются хроническим дисбактериозом и нарушениями физического развития ребёнка.

Приобретённые нарушения переваривания могут наблюдаться при кишечных заболеваниях, например гастритах, колитах, энтеритах, после операций на ЖКТ.

Дефицит лактазы у взрослых людей может быть связан со снижением экспрессии гена лактазы, что проявляться непереносимостью молока - наблюдается рвота, диарея, спазмы и боли в животе, метеоризм. Частота этой патологии составляет в Европе 7--12%, в Китае -- 80%, в Африке -- до 97%.

2). Нарушение всасывания моносахаридов в кишечнике.

Нарушения всасывания могут быть следствием дефекта какого-либо компонента, участвующего в системе транспорта моносахаридов через мембрану. Описаны патологии, связанные с дефектом натрий зависимого белка переносчика глюкозы.

Синдром мальабсорбции сопровождается осмотической диареей, усилением перистальтики, спазмами, болями, а также метеоризмом. Диарею вызывают нерасщеплённые дисахариды или невсосавшиеся моносахариды в дистальных отделах кишечника, а также органические кислоты, образованные микроорганизмами при неполном расщеплении углеводов.

Транспорт глюкозы из крови в клетки

Глюкоза поступает из кровотока в клетки путём облегчённой диффузии с помощью белков-переносчиков - ГЛЮТов. Глюкозные транспортёры ГЛЮТы имеют доменную организацию и обнаружены во всех тканях. Выделяют 5 типов ГЛЮТов:

* ГЛЮТ-1 - преимущественно в мозге, плаценте, почках, толстом кишечнике;

* ГЛЮТ-2 - преимущественно в печени, почках, в-клетках поджелудочной железы, энтероцитах, есть в эритроцитах. Имеет высокую Км;

* ГЛЮТ-3 - во многих тканях, включая мозг, плаценту, почки. Обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе;

* ГЛЮТ-4 - инсулинзависимый, в мышцах (скелетной, сердечной), жировой ткани;

* ГЛЮТ-5 - много в клетках тонкого кишечника, является переносчиком фруктозы.

ГЛЮТы, в зависимости от типа, могут находиться преимущественно как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. Трансмембранный перенос глюкозы происходит только тогда, когда ГЛЮТы находятся в плазматической мембране. Встраивание ГЛЮТов в мембрану из цитозольных везикул происходит под действием инсулина. При снижении концентрации инсулина в крови эти ГЛЮТы снова перемещаются в цитоплазму. Ткани, в которых ГЛЮТы без инсулина почти полностью находятся в цитоплазме клеток (ГЛЮТ-4, и в меньшей мере ГЛЮТ-1), оказываются инсулинзависимыми (мышцы, жировая ткань), а ткани, в которых ГЛЮТы преимущественно находятся в плазматической мембране (ГЛЮТ-3) - инсулиннезависимыми.

Известны различные нарушения в работе ГЛЮТов. Наследственный дефект этих белков может лежать в основе инсулино-независимого сахарного диабета.

Метаболизм моносахаридов в клетке

После всасывания в кишечнике глюкоза и другие моносахариды поступают в воротную вену и далее в печень. Моносахариды в печени превращаются в глюкозу или продукты её метаболизма. Часть глюкозы в печени депонируется в виде гликогена, часть идет на синтез новых веществ, а часть через кровоток, направляется в другие органы и ткани. При этом печень поддерживает концентрацию глюкозы в крови на уровне 3,3-5,5 ммоль/л.

Фосфорилирование и дефосфорилирование моносахаридов

В клетках глюкоза и другие моносахариды с использованием АТФ фосфорилируются до фосфорных эфиров: глюкоза + АТФ > глюкоза-6ф + АДФ. Для гексоз эту необратимую реакцию катализирует фермент гексокиназа, которая имеет изоформы: в мышцах - гексокиназа II, в печени, почках и в-клетках поджелудочной железы - гексокиназа IV (глюкокиназа), в клетках опухолевых тканей - гексокиназа III. Фосфорилирование моносахаридов приводит к образованию реакционно-способных соединений (реакция активации), которые не способны покинуть клетку т.к. нет соответствующих белков-переносчиков. Фосфорилирование уменьшает количество свободной глюкозы в цитоплазме, что облегчает ее диффузию из крови в клетки.

Гексокиназа II фосфорилирует D-глюкозу, и с меньшей скоростью, другие гексозы. Обладая высоким сродством к глюкозе (Кm <0,1 ммоль/л), гексокиназа II обеспечивает поступление глюкозы в ткани даже при низкой концентрации глюкозы в крови. Так как гексокиназа II ингибируется глюкозо-6-ф (и АТФ/АДФ), глюкоза поступает в клетку только по мере необходимости.

Глюкокиназа (гексокиназа IV) имеет низкое сродство к глюкозе (Кm - 10 ммоль/л), активна в печени (и почках) при повышении концентрации глюкозы (в период пищеварения). Глюкокиназа не ингибируется глюкозо-6-фосфатом, что дает возможность печени без ограничений удалять излишки глюкозы из крови.

6-фосфатаза катализирует необратимое отщепление фосфатной группы гидролитическим путём в ЭПР: Глюкозо-6-ф + Н2О > Глюкоза + Н3РО4, есть только в печени, почках и клетках эпителия кишечника. Образовавшаяся глюкоза способна диффундировать из этих органов в кровь. Таким образом, глюкозо-6-фосфатаза печени и почек позволяет повышать низкий уровень глюкозы в крови.

Метаболизм глюкозо-6-фосфата

Глюкозо-6-ф может использоваться клетке в различных превращениях, основными из которых являются: катаболизм с образованием АТФ, синтез гликогена, липидов, пентоз, полисахаридов и аминокислот.

Использование не углеводных компонентов для образования глюкозы. Глюконеогенез (глюкогенные аминокислоты, глицерин как источники синтеза глюкозы). Гормональная регуляция глюконеогенеза.

Важнейшими химическими соединениями живых организмов являются углеводы. Они широко распространены в природе, в растительном мире они составляют 70-80% из расчета на сухое вещество, у животных содержание значительно меньше - 2% массы тела. Роль их чрезвычайно важна, что и подтверждается разнообразными функциями, выполняемыми углеводами:

Энергетическая - главный вид клеточного топлива, основной источник энергии для организма. Углеводы служат основным источником энергии для организма, обеспечивая его на 60%. Для деятельности мозга - единственным поставщиком энергии является глюкоза. При полном распаде 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал.

Пластическая - входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований, содержатся во всех органах и тканях.

Функция запасных питательных веществ. Углеводы обладают способностью накапливаться в организме в виде крахмала у растений и гликогена (печень, мышцы) у животных.

Защитная функция - вязкие секреты, выделяемые различными железами предохраняют стенки полых органов от механических повреждений и проникновения патогенных бактерий.

Регуляторная функция - такой углевод как клетчатка участвует в перистальтике кишечника.

Специфическая функция - проведение нервных импульсов, образование антител.

По химической природе углеводы это органические вещества состоящие из углерода, кислорода и водорода в соотношении 1:2:1.

Их разделяют на:

Моносахариды - простые сахара, состоящие из одной молекулы. Среди них различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы.

Олигосахариды - молекулы которых содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями (сахароза).

Полисахариды - высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов (крахмал, гликоген).

Полисахариды разделяются на гомо- и гетеро-полисахариды.

- Гомополисахариды имеют в своем составе моносахариды только одного вида.

- Гетерополисахариды - это комплексы различных видов моносахаридов и их производных (например, мукополисахариды).

С точки зрения функционального назначения полисахариды также могут быть разделены на структурные (целлюлоза) и резервные (крахмал, гликоген).

К простейшим углеводам, имеющим биологическое значение, относятся простые сахара или моносахариды, имеющие формулу С6Н12О6, например, глюкоза и фруктоза. Эти два простых сахара слегка различаются между собой по расположению составляющих их молекулы атомов, и это различие обуславливает некоторую разницу в их химических свойствах. Соединения с одинаковой молекулярной формулой, но различным расположением атомов называют изомерами. Это внутреннее строение молекулы отражается с помощью структурных формул, в которых атомы представлены своими символами (С, Н, О и т.д.), а химические связи, или силы, удерживающие атомы вместе - линиями соединяющими символы.

Свойства соединения зависят от его конформации, т.е. его пространственной структуры (молекулы имеют трехмерную структуру).

В растворе молекулы глюкозы и других простых сахаров не вытянуты в виде прямых цепей, а свернуты в плоские кольца, образованные в результате соединения двух несмежных углеродных атомов через атом кислорода.

Глюкоза - единственный моносахарид, содержащийся в нашем организме в сколько-нибудь значительном количестве. Все другие, потребляемые нами углеводы превращаются в печени в глюкозу.

Глюкоза - абсолютно необходимая составная часть крови. В норме ее содержание в крови и тканях млекопитающих составляет около 0,1% по массе. Некоторое увеличение содержания глюкозы в организме не причиняет особого вреда, уменьшение же его повышает возбудимость некоторых клеток головного мозга, так что они начинают реагировать на очень слабые стимулы. Импульсы, получаемые от этих клеток мышцами могут вызвать судороги, привести к потере сознания и даже к смерти. Глюкоза необходима для метаболизма клеток головного мозга и для этого необходим определенный уровень содержания ее в крови. Надлежащая концентрация глюкозы в крови поддерживается при помощи чрезвычайно сложного механизма, в котором участвуют нервная система, печень, поджелудочная железа, гипофиз и надпочечники.

Полигосахариды - содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями.