Структура, свойства и функции белков

Структура, свойства и функции белков.

Выяснение структуры белков является одной из главных проблем современной биохимии.

Белковые молекулы представляют собой высокомолекулярные соединения, образованные аминокислотами.

Большинство белков имеют 4 уровня организации (4 структуры белковой молекулы).

Первичная структура белка.

В настоящее время расшифрована первичная структура около 2500 белков, а в природе имеется 10¹² разнообразных белков.

Первичная структура – это последовательность (порядок) соединения аминокислотных остатков с помощью пептидной связи.

Пептидная связь образуется за счет карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты.

В образовании первичной структуры участвуют -аминокислоты.

Пептидная связь образует остов полипептидной цепи, она является повторяющимся фрагментом.

Особенности пептидной связи:

1. Копланарность – все атомы, входящие в пептидную связь, находятся в одной плоскости.

2. Заместители по отношению связи C-N-связи находятся в транс положении.

3. Пептидная связь способна к образованию двух водородных связей с другими группами, в том числе с пептидными.

Пептидная связь – прочная ковалентная связь, энергия связи равняется 110 ккал/моль.

Свойства первичной структуры белка

1. Детерминированность – последовательность аминокислот в белке генетически закодирована. Информация о последовательности аминокислот содержится в ДНК.

2. Уникальность – для каждого белка в организме характерна определенная последовательность аминокислот.

Аминокислоты, входящие в состав белков делят на 2 группы:

1. Взаимозаменяемые аминокислоты – это амиокислоты, сходные по структуре и свойствам.

2. Невзаимозаменяемые аминокислоты, отличающиеся по структуре и свойствам.

В белковой молекуле различают 2 вида замен аминокислот:

1. Консервативная – замена одной аминокислоты на другую сходную по структуре. Такая замена не приводит к изменению свойств белка.

Примеры: гли-ала, асп-глу, тир-фен, вал-лей.

2. Радикальная замена – замена одной аминокислоты на другую отличающуюся по структуре. Такая замена приводит к изменению свойств белка.

Примеры: глу-вал, сер-цис, про-три, фен-асп, илей-мет.

При радикальной замене возникает белок с другими свойствами, что может привести к патологии.

Радикальная замена глу на вал в шестом положении в молекуле гемоглобина приводит к развитию серповидно-клеточной анемии. При этой патологии эритроциты в условиях низкого парциального давления приобретают форму серпа. После отдачи кислорода такой гемоглобин превращается в плохо растворимую форму и начинает выпадать в осадок в виде веретенообразных кристаллоидов, названных тактоидами. Тактоиды деформируют клетку и эритроциты приобретают форму серпа. При этом происходит гемолиз эритроцитов. Болезни протекает остро и дети погибают. Эта патология называется серповидно-клеточной анемией.

3. Универсальность первичной структуры. Белки, выполняющие одинаковые функции в разных организмах имеют одинаковую или близкую первичную структуру.

4. В природных белках одна и та же аминокислота не встречается подряд больше 3 раз.

Вторичная структура белка.

Вторичная структура – это способ укладки полипептидной цепи в спиральную или складчатую конформацию.

Конформация – это пространственное расположение в органической молекуле замещающих групп, способных свободно изменять свое положение в пространстве без разрыва связей, благодаря свободному вращению вокруг одинарных углеродных связей.

Различают 2 вида вторичной структуры белка:

1. -спираль

2. -складчатость.

Вторичную структуру стабилизируют водородные связи. Водородные связи возникают между атомом водорода в NH группе и карбоксильным кислородом.

Характеристика -спирали.

1. -спираль стабилизируется водородными связями, которые возникают между каждой первой и четвертой аминокислотой. Шаг спирали включает 3,6 аминокислотных остатка.

2. Образование -спирали происходит по часовой стрелке (правый ход спирали), т.к. природные белки состоят из L-аминокислот.

Для каждого белка характерна своя степень спирализации полипептидной цепи. Спирализованные участки чередуются с линейными. В молекуле гемоглобина и -цепи спирализованы на 75%, в лизоциме – 42%, пепсине – 30%.

Степень спирализации зависит от первичной структуры белка.

3. -спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии.

4. В образовании водородных связей участвуют все пептидные группы. Это обеспечивает максимальную стабильность -спирали.

Спирализации белковой молекулы препятствует аминокислота пролин.

- складчатость имеет слабоизогнутую конфигурацию полипептидной цепи.

Для - складчатости характерны водородные связи в пределах одной полипептидной цепи или сложных полипептидных цепей.

В белках возможны переходы от -спирали к -складчатости и обратно вследствие перестройки водородных связей.

-складчатость имеет плоскую форму.

-спираль имеет стержневую форму.

Водородные связи – слабые связи, энергия связи 10 – 20 ккал/моль, но большое количество связей обеспечивает стабильность белковой молекулы.

В молекуле белка имеются прочные (ковалентные) связи, а также слабые, что обеспечивает с одной стороны стабильность молекулы, а с другой лабильность.

Третичная структура белка.

Третичной структурой белка называется способ укладки полипептидной цепи в пространстве.

По форме третичной структуры белка делят на глобулярные и фибриллярные.

В стабилизации третичной структуры белковой молекулы участвуют ковалентные связи (пептидные и дисульфидные). Основную роль в стабилизации играют нековалентные связи: водородные, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные ван-дер-вальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот, так называемые гидрофобные взаимодействия.

Гидрофобные радикалы аминокислот ала, вал, изолей, мет, фен в водной среде взаимодействуют друг с другом. При этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот как бы погружаются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны, а полярные радикалы оказываются ориентированными в сторону воды.

При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму с меньшим запахом энергии.

При формировании третичной структуры полипептидная цепь изгибается в местах нахождения пролина, глицина.

Глобулярные белки растворимы в воде, а фибриллярные нет.

Четвертичная структура белка.

Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру (лизоцим, пепсин, миоглобин, трипсин).

Для белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей, характерна четвертичная структура.

Под четвертичной структурой понимают объединение отдельных полипептидных цепей с третичной структурой в функционально активную молекулу белка. Каждая отдельная полипептидная цепь называется протомером и чаще не обладает биологической активностью.

В молекуле белка может быть несколько протомеров, которые при объединении образуют олигомер или мультимер.

Для белков с четвертичной структурой характерно понятие субъединицы.

Субъединица – это функционально активная часть молекулы белка.

Примером белка с четвертичной структурой является гемоглобин, состоящий из 4 протомеров: 2 и 2 -цепей.

Взаимодействие полипептидных цепей при формировании олигомера происходит за счет полярных групп аминокислотных остатков. Между полярными группами образуется ионная, водородные связи, гидрофобные взаимодействия.

Денатурация.

Денатурация – это процесс нарушения высших уровней организации белковой молекулы (вторичного, третичного, четвертичного) под действием различных факторов.

При этом полипептидная цепь разворачивается и находится в растворе в развернутом виде или в виде беспорядочного клубка.

При денатурации утрачивается гидратная оболочка и белок выпадает в осадок и при этом утрачивает нативные свойства.

Денатурацию вызывают физические факторы: температура, давление, механические воздействия, ультразвуковые и ионизирующие излучения; химические факторы: кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды, соли тяжелых металлов.

Различают 2 вида денатурации:

1. Обратимая денатурация – ренатурация или ренактивация – это процесс, при котором денатурированный белок, после удаления денатурирующих веществ вновь самоорганизуется в исходную структуру с восстановлением биологической активности.

2. необратимая денатурация – это процесс, при котором биологическая активность не восстанавливается после удаления денатурирующих агентов.

Свойства денатурированных белков.

1. Увеличение числа реактивных или функциональных групп по сравнению с нативной молекулой белка (это группы COOH, NH₂, SH, OH, группы боковых радикалов аминокислот).

2. Уменьшение растворимости и осаждение белка (связано с потерей гидратной оболочки), развертыванием молекулы белка, с «обнаружением» гидрофобных радикалов и нейтрализации зарядов полярных групп.

3. Изменение конфигурации молекулы белка.

4. Потеря биологической активности, вызванная нарушением нативной структуры.

5. Более легкое расщепление протеолитическими ферментами по сравнению с нативным белком – переход компактной нативной структуры в развернутую рыхлую форму облегчает доступ ферментов к пептидным связям белка, которые они разрушают.

Ферментные методы гидролиза основаны на избирательности действия протеолитических ферментов расщепляющих пептидные связи между определенными аминокислотами.

Пепсин расщепляет связи, образованные остатками фенилаланина, тирозина и глутаминовой кислоты.

Трипсин расщепляет связи между аргинином и лизином.

Химотрипсин гидролизует связи триптофана, тирозина и фенилаланина.

 

 

ЗАНЯТИЕ 3

 

Структура и свойства ферментов.

Ферменты (энзимы) – специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов, играющие роль биологических катализаторов.

Доказательства белковой природы ферментов.

1. Инативация ферментов при нагревании. Инактивация ферментов совпадает с денатурацией белка. Ферменты разрушаются также под действием минеральных кислот, щелочей, солей, алкалоидов, при облучении рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами.

2. Электрохимические свойства ферментов.

a. Изоэлектрическая точка ферментов.

b. Поведение ферментов при изменении концентрации водородных генов.

c. Высокая специфичность ферментов.

d. Ферменты не способны проникать через полупроницаемые мембраны.

e. Сохранение активности ферментами после действия водоотнимающими средствами (ацетон, спирт, нейтральные соли щелочных металлов).

 

Для ферментов и неорганических катализаторов характерны общие свойства:

1. Неорганические катализаторы и биологические катализаторы – ферменты требуются в небольшом количестве для проведения реакции.

2. Катализаторы биологические и неорганические выделяются после реакции в неизменном виде.

3. Катализаторы не сдвигают химического равновесия.

4. Катализаторы биологические и небиологические ведут реакцию в обход энергетического барьера, т.е. снижают энергию активации.

Отличия:

1. Ферменты обладают более высокой биологической активностью.

Пример: уреаза разлагает мочевину за 10^-4 сек, а под действием воды этот процесс пройдет за 3200 лет.

Гидролиз белков

без фермента 100 – 110⁰С, 20% HCl – 8-10 часов

с ферментом 37⁰С, pH7,0 – 1-1,5 часа

2. Высокая специфичность действия ферментов.

Белок аминокислоты.

Протеолитические ферменты разрывают определенные пептидные связи. Ферменты катализируют превращение определенного субстрата или группы субстратов.

3. Активность ферментов зависит от t, pH. Ферменты действуют в более мягких условиях t=37⁰-38⁰, pH – организма, микроэлементы.

4. ферменты действуют последовательно и кооперативно (т.е. сообща).

S A BCP

5. Локализация ферментов по отдельным компартментам.

6. Активность ферментов регулируется.

7. Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации фермента.

 

Ферменты классифицируют по химической структуре:

Ферменты (энзимы)
Простые	Сложные (холоферменты)
(состоят из аминокислот, относятся пищеварительные ферменты: пепсин, трипсин, амилаза, ДНК-аза)	Белковая часть (апофермент состоит из аминокислот)	Небелковая (кофактор; витамины, нуклеотиды, ионы Ме: Fe, Mg, Co, Zn)

Кофактор делят на 2 группы в зависимости от прочности связи:

1. кофермент – легкоотделяемая небелковая часть

2. простетическая группа – трудноотделяемая часть фермента.

 

Функции белковой и небелковой части фермента.

1. Белковая часть (апофермент) отвечает за активность и специфичность.

2. Небелковая часть (кофактор) отвечает за превращение субстрата («руки» фермента – разрыв связи, перенос).

Пример: Фермент аминотрансфераза состоит из белковой части и небелковой, которая представлена пиридоксальфосфатом (витамин B₆). Этот кофермент обеспечивает перенос NH₂-группы с аминокислоты на кетокислоту. Удаление белковой части приводит к потере специфичности (фермент начинает переносить еще 15 групп) и теряет активность.

Небелковая часть фермента неспецифична и может входить в состав разных ферментов и выполнять разные функции.

Пример: Гем входит в состав каталазы, которая обеспечивает расщепление H₂O₂. Гем входит также в состав цитохромов, которые осуществляют перенос электронов.

Каталаза Бел.ч ГемH₂O₂

Цитохромы Бел.ч Гем

Коферменты делят:

1. Переносчики р и - дегидрогеназы, ферменты, осуществляющие окислительно-восстановительные реакции.

Пример: НАД (витамин В₅) – нуклеотид

ФАД (витамин В₂) – нуклеотид

2. Переносчики различных функциональных групп – трансферазы.

Пример: Пиродоксальфосфат (ПФ) – NH₂

Биотин (витамин Н) - CO₂

3. Разрыв химических связей, соединение, изомеризация.

Пример: ТДФ (В₁)- тиаминдифосфат

Взаимодействие фермента с субстратом идет при участии активного (ых) центров фермента.

Различают следующие виды активных центров:

1. Субстратный (якорная площадка) активный центр – обеспечивает присоединение субстрата за счет образования слабых связей: водородных, ван-дер-ваальсовых, гидрофобных взаимодействий.

2. Каталитический активный центр – отвечает за превращение субстрата. В пространстве эти центры могут быть разделены, а могут быть совмещены.

3. Аллостерический (регуляторный) обеспечивает присоединение низкомолекулярных веществ, приводит к изменению активности фермента. Аллостерический центр удален от субстратного и каталитического центров.

Закономерности построения активных центров.

1. Активные центры формируются за счет ограниченного числа аминокислот (12-16). Часто аминокислоты удалены друг от друга. Активные центры возникают при образовании четвертичной структуры.

2. В построении активных центров часто участвуют аминокислоты: гис, сер, лиз, асп, цис.

3. В построении активных центров сложных ферментов участвуют группировки кофакторов.

4. Олиго- и мультимерные ферменты на каждом протомере имеют свой каталитический и субстратный центр, аллостерический центр формируется за счет нескольких протомеров. При разрушении четвертичной структуры нарушается аллостерический центр и регуляция прекращается, а каталитическая функция характерная для протомера сохраняется.

5. Активный центр – это трехмерная структура, имеющая вид впадины или щели.

Теории, объясняющие механизм взаимодействия фермента и субстрата.

Теория Фишера – теория предшествующего соответствия, теория «ключ – замок». Согласно теории активный центр фермента существует и точно соответствует субстрату.

Недостатки (противоречия) теории:

1. Нет соответствия в термодинамических расчетах (разница в расчетном количестве выделяемой энергии и практически выделяемом количестве энергии).

2. По этой теории фермент может ошибаться и присоединять похожий субстрат.

3. Субстраты часто низкомолекулярные вещества, а ферменты высокомолекулярные, содержащие большое число аминокислот. Теория не объясняла существование групповой специфичности.

Теория Кошленда – индуцированного соответствия, т.е. активный центр формируется в момент взаимодействия фермента и субстрата, т.е. происходит подгонка. В субстрате происходит изменение связей. Наличие активных центров определяют специфичность.

Виды специфичности.

1. Абсолбтная – одному субстрату соответствует один фермент.

Уреаза катализирует расщепление мочевины, аспартаза катализирует взаимодействие NH₃ с фумаровой кислотой, в результате образуется аспарагиновая кислота, но аспартаза не действует на малеиновую кислоту.

СООН COOH

| |

CH CH₂

|| |

CH CHNH₂

| |

COOH COOH

Фумарат Аспартат

2. Относительная групповая специфичность. Фермент расщепляет группу субстратов, для которых характерен один тип связей.

Пример: пепсин расщепляет пептидную связь –CO-NH между аминокислотами.

Аналогично действуют трипсин, химотрипсин, пептидазы.

Химотрепсин расщепляет пептидные связи между три, тир и фен, но при определенных условиях могут расщеплять амидные и сложноэфирные связи.

3. Стереохимическая специфичность – фермент обеспечивает превращение определенного оптического (стереоизомера). В организме происходит превращение L-аминокислот, но D-углеводов.

Фумараза катализирует превращение фумаровой кислоты (транс-изомер), но не действует на малеиновую кислоту (цис-изомер).

При исследовании специфичности ферментов было установленно, что молекула субстрата должна обладать двумя структурными особенностями:

1. Субстрат должен содержать специфическую химическую связь, которую фермент мог атаковать.

2. В молекуле субстрата должна быть функциональная группа, называемая связывающей группой, которая способна связываться с ферментом и ориентировать молекулу субстрата в активном центре фермента, чтобы атакуемая связь субстрата была правильно расположена по отношению к каталитической группе фермента.

Изоферменты.

Изоферменты – это множественные формы ферментов.

Изоферменты отличаются по сродству к субстрату, по максимальной скорости катализирумой реакции (по активности), по электрохимическим свойствам, по константе Михаэлиса, по тканевой локализации.

Изоферменты состоят из нескольких субъединиц.

Примером изоферментов является лактатдегидрогеназа (ЛДГ), катализующая реакцию превращения пир лак и наоборот.

ЛДГ состоит из 4 субъединиц двух разных типов – Н и М и в результате комбинаций образуется 5 изоферментов:

ЛДГ₁ – Н₄

ЛДГ₂ – Н₃М

ЛДГ₃ – Н₂М₂

ЛДГ₄ – НМ₃

ЛДГ₅ – М₄

Изоферменты отличаются по молекулярной массе, электрофоретической подвижности, по отношению к активаторам и ингибиторам.

Для каждой ткани в норме характерно свое соотношение форм (изоферментный спектр) ЛДГ.

В сердечной мышце преобладает ЛДГ₁ (Н₄), а в скелетных мышцах и печени ЛДГ₅ (М₄).

Это свойство изоферментов используется в клинике для дифференциальной диагностики органических и функциональных поражений органов и тканей. По изменению содержания изоферментов в сыворотке крови судят о нахождении патологического процесса, так и о степени поражения органа или ткани.

Витамин	Коферментная форма	Переносимая группа	Тип катализируемой Реакции
В1 тиамин	ТДФ- тиаминдифосфат ТПФ (ТТФ) - тиаминпирофосфат	Отщепление СО2	Окислительное декарбоксилирование
В2 рибофла-вин	ФМН – флавинмононуклеотид ФАД – флавинаденин-динуклеотид	Протоны (Н+) и электроны ()	Дегидрирование
В3 пантоте-новая кислота	HSKoA – (аш эс коэнзим А)	Ацильная группа (R-C=O) |	Ацилирования
В5 никотин-амид	НАД – никотинамидаде-ниндинуклеотид НАДФ – никотинамид-адениндинуклеотид фосфат	Протоны и электроны	Дегидрирование
В6 пиридок-саль	ПФ – пиридоксаль фосфат	NH2-группа (амино-группа)	Трансаминирование
В7 биотин	Коферментной формой является сам витамин	СО2	Карбоксилирование
В9,10 фолиевая кислота	ТГФК – тетрагидро-фолиевая кислота ТГФК-СН3 – метилтетра-гидрофолиевая кислота, СН2ОН–ТГФК – гидроксиметилен, ТГФК-С=О – формил- | ТГФК Н	Перенос одноуглерод-ных фрагментов: метил – СН3, гидрокси-метилен - СН2ОН, формил –С=О | H
В12 кобал-амин	СН3-В12 – метил-кобаламин, ДА-В12 – дезоксиаденозил кобаламин	Перенос метильной группы СН3	Трансметилирование

 

Факторы, влияющие на активность ферментов.

 

1. Концентрация субстрата [S]

2. Концентрация фермента [F]

3. Температура

4. рН

5. Низкомолекулярные вещества (активаторы, ингибиторы).

 

Концентрация субстрата зависит от питания, возраста, физической нагрузки.

Зависимость скорости ферментативной реакции субстрата выражается уравнением Михаэлиса-Ментен:

V_max – максимальная скорость реакции

[S] – концентрация субстрата

K_m – константа Михаэлиса.

Анализ уравнения Михаэлиса-Ментен.

[S]0, при этом [S] можно пренебречь: 2. Концентрация субстрата стремится к бесконечности, пренебрегаем Km и уравнение имеет вид:

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента.

 

Зависимость носит линейный характер. Скорость химической реакции, катализируемой данным ферментом прямопропорциональна концентрации фермента. При этом концентрация субстрата величина постоянная. Это объясняется большим количеством активных центров при определенном количестве молекул субстрата

 

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры.

С повышением t0 до оптимума активность ферментов повышается. Высокие t вызывают денатурацию ферментов. Низкие t снижают активность ферментов.

Аллостерическая модификация.

Ключевой фермент начинает (открывает) процесс. Ферменты, от активности которых зависит скорость процесса, называются регуляторными или аллостерическими.

Пентозофосфатный (апотамический) путь окисления глюкозы.

Пентозофосфатный или фосфоглюконатный путь является источником в организме специальных продуктов: Значение: 1. НАДФН, d используется как источник восстановительных эквивалентов в процессах биосинтеза жирных кислот,…

Взаимосвязь пентозного пути и гликолиза.

Обмен гликогена. Глюкоза как моносахарид свободно диффундирует через мембрану печеночных… В печени происходит превращение избытка углеводов в нерастворимый полимер – гликоген. Эта резервная форма глюкозы…

В процессе глюконеогенеза глюкоза синтезируется из лактата, пирувата, глицерола, и большинства аминокислот, из промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.

Глюконеогенез протекает в печени и значительно менее интенсивно – корковом веществе почек.

При гликолизе глю превращается в пируват, при глюконеогенезе пируват превращается в глюкозу. Глюконеогенез это не обращение гликолиза, т.к. в гликолизе есть 3 необратимые стадии, катализируемые гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой.

Пути глюконеогенеза обходят эти 3 необратимые реакции гликолиза при помощи следующих новых этапов:

1. Фосфоенолпируват ббразуется из пирувата через оксалоацетат.

Первый этап в обходной последовательности реакций катализируется митохондриальной пируваткарбоксилазой. Этот биотинзависимый фермент катализирует образование оксалоацетата из пирувата:

Пируват + СО₂+АТФоксалоацетат+АДФ+Рн

Пируваткарбоксилаза – регуляторный фермент; в отсутствии ацетил-КоА который служит для нее положительным регулятором, она почти полностью лишена активности.

Оксалоацетат, образующийся в митохондриях из пирувата обратомо восстанавливается за счет НАДН с образованием малата:

Митох. НАДН+Н⁺ + Оксалоацетат НАД+малат

Малат из митохондрий поступает в цитозоль. В цитозоле малат под действием цитозольной НАД-зависимой малатдегидрогеназы превращается в оксалоацетат:

Цитозоль Малат + НАД⁺Оксалоацетат+ НАДН+Н⁺

Дальше оксалоацетат под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы превращается в фосфоенолпируват:

Оксолоацетат+ГТФФЭП+СО₂ +ГДФ

Донором фосфата в этой реакции служит ГТФ – гуанозинтрифосфат.

2. Вторая реакция гликолиза, которая не может использоваться для глюконеогенеза – это реакция фосфорилирования фру-6-ф, катализируемая фосфофруктокиназой.

В глюконеогенезе действует обходной путь с участием фруктозодифасфатазы, которая катализирует необратимый гидролиз фру-1,6-дф с образованием фру-6-ф

Фру-1,6-дф фру-6-ф

Фруктозодифосфотаза – регуляторный фермент, нуждается в ионах Mg²⁺ . Ингибируется АМФ, активируется АТФ.

3. Третьей обходной реакции в синтезе глюкозы является дефосфорилирование глю-6-ф с образованием глю.

Дефосфорилирование осуществляется под действием глюкозы-6-фосфатазы:

Глю-6-фглю

Глюконеогенез требует значительных затрат энергии. Стадии глюконеогенеза, требующие затрат энергии:

Пир + СО₂ + АТФоксалоацетат + АДФ + Фн

Оксалоацетат + ГТФФЕП + СО₂ + ГДФ

3ФГК1,3ФГК

На каждую молекулу глю потребуется 6 высокоэнергетических фосфатных групп – 4 от АТФ и 2 от ГТФ.

Кроме того, для восстановительных этапов требуется 2 молекулы НАДН:

1,3 ДФГК + НАДН + Н⁺3ФГА + НАД⁺

Суммарная реакция:

2Пир + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2 НАДН + 2 Н⁺ + 4 Н₂О Глю + 2 НАД⁺ + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Рн

Главную роль из метаболитов ЦТК, используемых в глюконеогенезе играют: цитрат, изоцитрат, -кетоглутарат, сукцинат, фумарат, малат.

Важно отметить, что в норме ацетил-КоА не используется как предшественник глю, так как он не может превратиться в пируват.

В глюкозу могут превращаться глюкогенные аминокислоты: аланин, глутамат, аспартат, которые превращаются соответственно в пируват, оксалоацетат и -кетоглутарат:

Глукогенные аминокислоты

Превращаются в оксалоацетат: асп, асн Превращаются в сукцинил-КоА: вал, тре, мет Превращаются в -кетоглутарат: глу, глн, про, арг, гис.

Алкоголь тормозит глюконеогенез.

    Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Патология обмена углеводов.

Гипергликемия характеризуется повышением уровня глюкозы свыше 6 ммоль/л. Различают физиологические и патологические гипергликемии. К физиологическим… Патологические гипергликемии обусловлены нарушением оптимального соотношения… Сахарный диабет – связан с недостаточностью инсулина, вырабатываемого -клетками поджелудочной железы. Развитию…

Методы диагностики сахарного диабета.

 

1. Определение глюкозы крови натощак.

2. Метод сахарной нагрузки (тест толерантности к глюкозе).

3. Диагностика неотложных состояний – определение глюкозы и ацетона в моче с помощью диагностических бумажных полосок – глюкотест и кетотест.

 

Метод сахарной нагрузки.

У больного скрытым сахарным диабетом (2) содержание глюкозы на верхней границе нормы (5,7 ммоль/л). После нагрузки подъем сахара в крови более… У больного явным сахарным диабетом (3) натощак определяется гипергликемия (9…

Особенности обмена глюкозы в клетках опухoли.

1. Мембранная гексокиназа – работает как насос. 2. Гипогликемия. 3. Анаэробный гликолиз.

Роль печени в обмене углеводов.

 

От ЖКТ

 

 

Обмен углеводов в мышцах.

Цель мышечной клетки – наиболее эффективно использовать поступающую глюкозу для образования АТФ, необходимого для осуществления механической работы… В мышцах идет гликогенез, мышца осуществляет лишь немногие синтетические… Обмен углеводов в мышцах обеспечивает создание тканевых запасов гликогена в состоянии покоя и использование этих…

Обмен углеводов в мышце.

 

 

 

 

Фосфорилирование глюкозы в мышцах происходит под дейстием гексокиназы, в печени этот процесс катализируется глюкокиназой. Эти ферменты отличаются по Кm. Кm гексокиназы значительно ниже Кm глюкокиназы. Фермент мышц – гексокиназа участвует во внутриклеточной регуляции, т.е. этот фермент будет фосфорилировать глюкозу только до тех пор, пока глюкозо-6-ф используется в мышцах для гликолиза или образования гликогена.

Другое важнейшее различие между тканью печени и мышцы состоит в отсутствии в мышцах фермента глюкозо-6-фасфатазы.

Обмен углеводов в мозге.

Гексокиназа мозга имеет высокое сродство к глюкозе, что обеспечивает эффективное использование глюкозы мозгом. Активность ферментов гликолиза… Высокая активность митохондриальных ферментов цикла лимонной кислоты… Мозг содержит мало гликогена (0,1% от общего веса); этот запас расходуется очень быстро.

Обмен углеводов в ткани мозга.

в условиях длительного голодания мозг использует как источник энергии кетоновые тела. В крайних случаях такие аминокислоты как глутамат и аспартат превращаются в соответствующие кетокислоты, которые способны к окислению с образованием энергии.

Обмен углеводов в эритроцитах.

Основным процессом в эритроцитах, который дает энергию, является анаэробный гликолиз. При расщеплении фру-6-фф образуется НАДН, необходимый для… Побочным продуктом гликолиза в эритроцитах является 2,3-дифосфоглицерат.… Фосфоглюконатный путь в норме составляет лишь небольшую долю в катаболизме глюкозы. В условиях повышенной потребности…

Обмен углеводов в эритроцитах.

  Регуляция обмена углеводов.  

Регуляция цикла лимонной кислоты.

Активация пируваткарбоксилазы.

Активность пируваткарбоксилазы зависит от присутствия ацетил-КоА.

Пир может превращаться в ацетил-КоА, а также подвергаться карбоксилированию с образование оксалоацетата или ЩУК. Высокое содержание ацетил-КоА приводит к образованию количества оксалоацетата. Если имеет место избыток АТФ, то оксалоацетат потребляется в процессе глюконеогенеза:

Ацетил-КоАЩУКФЕПГлю

В условиях недостатка АТФ оксалоацетат включается в ЦТК, конденсируясь с ацетил-КоА.

 

 

 

Гормональная регуляция обмена углеводов

Основным показателем состояния углеводного обмена является содержание глюкозы в крови. В норме содержание глюкозы составляет 3,5 – 5,5 ммоль/л.

Снижение содержания глюкозы ниже 3,3 ммоль/л называется гипогликемия. При снижении содержания глюкозы ниже 2,7 ммоль/л развивается грозное осложнение – гипогликемическая кома. Содержание глюкозы в крови выше 6 ммоль/л называется гипергликемией. Если содержание глюкозы превышает 50 ммоль/л, развивается гипергликемическая кома. При увеличении содержания глюкозы в крови выше 10 ммоль/л глюкоза появляется в моче и возникает глюкозурия.

Инсулин – единственный гормон гипогликемического действия (снижает уровень глюкозы).

Адреналин, клюкагон, АКТГ, СТГ, глюкокортикоиды – гипергликемические гормоны(повышают уровень глюкозы).

 

Механизм действия инсулина

2. задерживает глюкозу в клетках, активируя гексокиназу («гексокиназная ловушка глюкозы»); 3. Усиливает распад глюкозы в мышцах путем индукции синтеза регуляторных… 4. В печени активирует гликогенсинтетазу, усиливает синтез гликогена – гликогенез.

Механизм действия адреналина и глюкагона

Усиливают распад гликогена в мышцах и печени, активируя фосфорилазу гликогена и переход глюкозы в кровь за счет активизации глюкозо-6-фосфотазы. Адреналин оказывает преимущественное действие на мышечные клетки, а глюкагон – на клетки печени.

Механизм действия глюкокортикоидов.

Гормрнальная регуляция обмена глюкозы. Механизм действия гормонов заключается в повышении (снижении) активности готовых форм ферментов или (глюкокортикоиды)…

Производные липидов

Холестерин и холестериды гидрофобны. Холестерин входит в состав клеточных мембран, он необходим растущему…  

Переваривание и всасывание липидов

Переваривание жиров в полости желудка играет важную роль у детей. рН желудочного сока у детей около 5,0, что способствует перевариванию… Расщепление жиров пищи происходит в верхних отделах тонкого кишечника, где… Гидролиз эмульгированных триглицеридов под действием панкреатической липазы происходит постадийно сначала быстро…

Ресинтез жиров в стенке кишечника

Механизм ресинтеза тригицеридов в клетках кишечника сводится к следующему: первоначально из жирных кислот образуется ацил-КоА, после чего происходит… Однако в эпителиальных клетках кишечного эпителия содетжатся ферменты –… Промежуточный обмен липидов.

Внутриклеточный липолиз

Так как в качестве источников энергии могут использоваться только свободные жирные кислоты, то триглицериды сначала гидролизируются под действием… Свободные жирные кислоты из жировых депо могут переходить в плазму крови,… В жировой ткани содержится несколько липаз: триглицеридлипаза, диглицеридлипаза и моноглицеридлипаза. В результате…

Расчет выхода энергии при окислении жирной кислоты

N = п – число атомов углерода в молекуле жирной кислоты 2– число атомов углерода в молекуле Ацетил-КоА

Окисление ненасыщенных жирных кислот

В тканях существуют ферменты, которые осуществляют перемещение двойной связи из положения 3,4 в положение – 2,3, а также изменяют конфигурацию… СН3-(СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – СООН + АТФ + НSКоА олеиновая кислота

Окисление жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов

Из жирных кислот с нечетным числом атомов углерода образуется при -окислении пропионил – КоА. Кроме того, пропионил – КоА образуется при распаде некоторых аминокислот (валина, изолейцина, треонина, метионина).

Пропионил – КоА окисляется по особому пути:

Вначале происходит карбоксилирование с образованием метилмалонил – КоА. В состав фермента входит витамин Н – биотин. Затем метилмалонил – КоА под действием метилмалонилмутозы, содержащей витамин В₁₂, превращается в сукцинил – КоА, который является метаболитом цикла Кребса.

При недостатке витамина В₁₂ эта реакция замедляется и с мочой выводятся большие количества метилмалоната и пропионата.

Биосинтез жирных кислот

Жирные кислоты синтезируются из ацетил-КоА. Несмотря на то, что все реакции -окисления обратимы, этот путь не используется для синтеза жирных кислот.

Основным местом синтеза жирных кислот является цитозоль. -окисление происходит в митохондриях.

На первом этапе происходит превращение ацетил – КоА в малонил – КоА. Этот процесс протекает при участии ацетил – КоА – карбоксилазы, которая содержит витамин Н или биотин. Главную роль в синтезе жирных кислот выполняет пальмитилсинтетаза, которая обеспечивает удлинение углеродной цепи за счет присоединения ацетильного и малонильного остатков к SH – группам активного центра фермента.

Схема синтеза

Процесс повторяется до образования пальмитиновой кислоты.

СН₃СОSКоФ+СО₂+АТФ

НООС-СН₂-СОSКоА+АДФ

Малонил-КоА

Механизм переноса ацетил – КоА через мембрану

Перенос ацетил – КоА через мембрану осуществляется в виде цитрата, который образуется при участии щук. В цитоплазме цитрат распадается на ацетил – КоА и щук.

Митохондрии	Цитоплазма
Ацетил-КоА+ЩУК цитрат	ЩУК+Ацетил-КоА цитрат

Пальмитиновая кислота служит предшественником всех жирных кислот. Удлинение углеродной цепи происходит за счет дополнительного присоединения ацетил – КоА или малонил – КоА.

Синтез ненасыщенных жирных кислот

Большинство непредельных жирных кислот образуются путем дегидрирования предельных кислот. Линолевая кислота не синтезируется в организме и должна поступать с пищей.

Наиболее интенсивно синтез жирных кислот происходит в печени, жировой ткани, молочных железах.

Для синтеза жирных кислот необходим НАДФ Н₂, который образуется в пентозном цикле.

 

Обмен и биологическое значение холестерина

Переваривание и всасывание

С пищей ежедневно поступает 0,2 – 0,5 г, синтезируется 1 г (почти все клетки за исключением эритроцитов синтезируют холестерин, 80% холестерина… Взаимоотношения экзо и эндогенного холестерина в определенной степени… Фонд холестерина, обнаруживаемого в ЖКТ состоит из 3-х частей: пищевого холестерина слизистой кишечника – может быть…

Биосинтез холестерина

Митохондрии являются держателем субстрата для синтеза холестерина. Ацетил-КоА выходит в виде цитрата и ацетоацета. Синтез холестерина идет в цитоплазме и включает 4 стадии. 1 стадия – образование мевалоновой кислоты:

Регуляция биосинтеза холестерина

При высоком содержании холестерина, он угнетает активность фермента -гидрокси--метилурацил-КоА-редуктазы и синтез холестерина тормозится на стадии образования мевалоновой кислоты – это первая специфическая стадия синтеза. -гидрокси--метилурацил-КоА, не пошедший на синтез холестерина может пойти на синтез кетоновых тел. Это регуляция по типу обраьной отрицательной связи.

Транспорт холестерина

В плазме крови здоровых людей содержится 0,8 – 1,5 г/л ЛОНП, 3,2 – 4,5 г/л ЛНП и 1,3 – 4,2 г/л ЛВП.

Липидный компонент практически всех ЛП представлен наружной оболочкой, которая образована монослоем ФЛ и холестерина и внутренним гидрофобным ядром, состоящим из ТГ и холестеридов. Кроме липидов ЛП содержат белок – аполипопротеиды А, В или С. Свободный холестерин, находящийся на поверхности ЛП, легко обменивается между частицами: меченый холестерин, введенный в плазму в составе одной группы ЛП, быстро распределяется между всеми группами.

ХМ формируются в эпителиальных клетках кишечника, ЛОНП и ЛВП независимо друг от друга образуются в гепатоцитах.

ЛП обмениваются своим холестерином с мембранами клеток, особенно интенсивный обмен идет между ЛП и гепатоцитами, на поверхности которых есть рецепторы для ЛПНП. Процесс переноса холестерина в гепатоциты требует энергии.

 

	Холестерин
	Экзогенный	Эндогенный
Холестерин ЖКТ	Пищевой
Холестерин слизистой кишечника
Холестерин желчи

Судьба холестерина в клетке

2. ЛНП с рецептором подвергается эндоцитозу и включается в лизосомы. Там ЛНП (аполипопротеиды, холестериды) распадаются. Хлороквин – ингибитор… 3. Появление в клетках свободного холестерина ингибирует ОМГ-КоА-редуктазу… 4. В клетках, способных превращать холестерин в другие стероиды ЛНП стимулирует синтез этих стероидов. Например, в…

Превращение холестерина в организме

  Внутриклеточно переносится в основном свободный холестерин. Эфиры холестерина…

Эстерификация холестерина

Внеклеточная эстерификация холестерина катализируется ферментом лецитинхолестеринацетилтрансферазой (ЛХАТ). Лецитин + холестерин лизолецин + холестерид В основном переносится линолевая кислота. Ферментативная активность ЛХАТ связана преимущественно с ЛВП. Активатором…

Окисление холестерина.

Единственным процессом, необратимо удаляющим холестерин из мембран и ЛП является окисление. Оксигеназные системы обнаружены в гепатоцитах и клетках… Существуют 2 пути окислительного превращения холестерина в организме: один из… На образование желчных кислот расходуется 60-80% всего ежедневно образующегося холестерина, к то время как на…

Моноокисдазная система.

Содержит цитохром Р450 способный активировать молекулярный кислород (при участии НАДФН) и использует один из его атомов для окисления органических… С27Н45ОН + НАДФН + Н+ + О2 С27Н44(ОН)2 + НАДФ + Н2О  

Метаболизм кетоновых тел.

Кетоновые тела синтезируются в печени из ацетил-КоА.