Биохимия_Ответы

совершенно иначе действовать на организм, чем исходные агенты. Так, некоторые спирты (этиленгликоль), действуя целой молекулой, вызывают седативно-гипнотический эффект (опьянение, наркоз). В ходе их биопревращения образуются соответствующие альдегиды и органические кислоты (щавелевая кислота), способные повреждать паренхиматозные органы и, в частности, почки. Многие низкомолекулярные вещества, являющиеся факультативными аллергенами, подвергаются в организме метаболическим превращениям с образованием реакционноспособных промежуточных продуктов. Так, соединения, содержащие в молекуле аминоили нитрогруппу в ходе метаболизма превращаются в гидроксиламины, активно взаимодействующие с протеинами крови и тканей, формируя полные антигены. При повторном поступлении таких веществ в организм помимо специфического действия развиваются аллергические реакции. Порой сам процесс метаболизма ксенобиотика является пусковым звеном в развитии интоксикации. Например, в ходе биологического окисления ароматических углеводородов инициируются свободно-радикальные процессы в клетках, образуются ареноксиды, формирующие ковалентные связи с нуклеофильными структурами клеток (белками, сульфгидрильными группами, нуклеиновыми кислотами и т.д), активирующие перекисное окисление липидов биологических мембран. В итоге инициируется мутагенное, канцерогенное, цитотоксическое действие токсикантов. Процесс образования токсичных продуктов метаболизма называется "токсификация", а продукты биотрансформации, обладающие высокой токсичностью - токсичными метаболитами. Во многих случаях токсичный метаболит является не стабильным продуктом, подвергающимся дальнейшим превращениям. В этом случае он также называется промежуточным или реактивным метаболитом. Реактивные метаболиты это как раз те вещества, которые часто и вызывают повреждение биосистем на молекулярном уровне. Общим свойством практически всех реактивных метаболитов является их электродефицитное состояние, т.е. высокая электрофильность. Эти вещества вступают во взаимодействие с богатыми электронами (нуклеофильными) молекулами, повреждая их. К числу последних относятся макромолекулы клеток, в структуру которых входят в большом количестве атомы кислорода, азота, серы. Это, прежде всего, белки и нуклеиновые кислоты. Реактивные метаболиты либо присоединяются к нуклеофильным молекулам, образуя с ними ковалентные связи, либо вызывают их окисление. В обоих случаях структура макромолекул нарушается, следовательно, нарушаются и их функции.

Концепция l и ll фазы метаболизма ксенобиотиков

l фаза метаболизма в широком смысле может быть определена, как этап биотрансформации, в ходе которого к молекуле соединения либо присоединяются полярные функциональные группы, либо осуществляется экспрессия таких групп, находящихся в субстрате в скрытой форме. Это достигается либо путем окисления или (значительно реже) восстановления молекул с помощью оксидо-редуктаз, либо путем их гидролиза эстеразами и амидазами.

Фаза ll - этап биологической конъюгации промежуточных продуктов метаболизма с эндогенными молекулами, такими как глутатион, глюкуроновая кислота, сульфат и т.д. Специфические системы транспорта конъюгированных дериватов обеспечивают их выведение из организма.

Детоксикационная функция печени и состоит в том, что ядовитые для человеческого организма вещества в результате процессов биосинтеза, происходящих в печени, переводятся в безвредные органические соединения(чаще всего в белковые). Печень, как основная «лаборатория» организма, постоянно сталкивается с множеством потенциально токсических веществ, которые поступают в организм самыми разными путями, преимущественно через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), а детоксикационная функция является одним из важнейших назначений этого органа. Алкоголь, лекарства, промышленные и бытовые токсины — все это факторы, которые могут повреждать печень, несмотря на ее высокую регенераторную способность и значительные адаптивные возможности. Что же касается выделительной функции печени - самой большой железы организма человека, то она реализуется за счет секреции желчи. Образование желчи происходит в печени непрерывно в течение двадцати четырех часов в сутки. Желчь, образовавшаяся в клетках печени, сначала по желчным капиллярам, а затем по желчным ходам поступает в печеночные протоки. В зависимости от того, происходит пищеварение или нет, желчь из печеночных протоков направляется либо в желчный пузырь, либо через общий желчный проток изливается в двенадцатиперстную кишку, минуя желчный пузырь. Вместе с желчью из организма выделяются обезвреженные печенью вредные и ядовитые вещества, мочевина, неусвоенные лекарственные препараты, конечные продукты холесте-ринового обмена в виде желчных кислот и конечные продукты обмена гемоглобина в виде желчных пигментов - билирубина и биливердина. Пигменты печени образуются

из гемоглобина, который освобождается после разрушения в печени эритроцитов, отживших свой короткий век. Несмотря на обратное всасывание в кишечнике, большая часть выделенных печенью веществ покидает наш организм с фекальными массами. Учитывая то обстоятельство, что каждую минуту через печень прокачивается в среднем 1,5 л крови, даже при самом поверхностном рассмотрении деятельности печени становится очевидным, что наш организм может функционировать нормально только в том случае, если из печени вместе с током желчи будут своевременно и регулярно выводиться шлаки. А для этого, как минимум, требуется чистота и проходимость желчевыво-дящих путей.

Микросомальное окисление - совокупность реакций первой фазы биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных соединений, катализирующихся ферментными системами мембран эндоплазматического ретикулума гепатоцитов при участии цитохрома Р-450. При дифференциальном центрифугировании эндоплазматический ретикулум оказывается в микросомальной фракции, поэтому эти реакции получили название микросомальных, а соответствующие ферменты - микросомальных оксигеназ. Суть реакций заключается в гидроксилировании вещества типа R-H с использованием одного атома молекулы кислорода О2, второй атом соединяется с протонами водорода H+ с образованием воды. Донором протонов водорода является восстановленный NADPH + H+. Таким образом, меняется структура исходного вещества, а значит и его свойства, причѐм они могут как угнетаться, так и наоборот, усиливаться. Гидроксилирование позволяет перейти процессу обезвреживания ко второй фазе — реакциям конъюгации, в ходе которых к созданной функциональной группе будут присоединяться другие молекулы эндогенного происхождения.

Уравнение реакции: RH + O2 + NADPH + H+ → ROH + H2O + NADP+

На его долю приходится 5-10 % кислорода, поступающего в организм. АТФ во внемитохондриальном окислении никогда не образуется. Существуют 2 типа внемитохондриального окисления.

Окисление оксидазного типа. Ферменты - оксидазы. По строению являются металлофлавопротеинами. Содержат металлы с переменной валентностью - железо(Fe), медь(Cu), молибден(Mo). Находятся оксидазы в пероксисомах - особых образованиях эндоплазматического ретикулюма, а также в наружной мембране митохондрий. Отнимают водород от субстрата и передают его на кислород с образованием Н2О2 - перекиси водорода.

Окисление оксигеназного типа. Происходит на мембранах эндоплазматического ретикулума и во внутренней мембране митохондрий. Ферменты - оксигеназы. Они активируют молекулу кислорода, а затем внедряют один или два атома кислорода в молекулу окисляемого вещества. Оксигеназы, включающие один атом кислорода в окисляемое вещество, называются монооксигеназами (гидроксилазами). Оксигеназы, включающие два атома кислорода в окисляемое вещество, называются диаксигеназами. Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного в мембрану.

Мультиферментный комплекс состоит из 3-х компонентов.

1.Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД. Наиболее обычный субстрат для них - НАДФН2.

2.Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной валентностью.

3.Цитохром Р450. Его строение отличается от строения цитохромов цепи митоходриального окисления.

Мультиферментный комплекс формирует цепь переноса электронов и протонов, в конце ее происходит активация кислорода. Активированный кислород присоединяется к активному центру цитохрома Р450, и на него переносятся электроны, а затем этот кислород включается в молекулу субстрата.

На первой фазе биотрансформации менее реакционноспособные соединения подвергаются ферментативному гидроксилированию. Такая модификация делает возможной последующую конъюгацию с полярным веществом . Вообще гидроксилирующие ферменты являются монооксигеназами, включающими в качестве кофермента железосодержащий гем .Восстановленная форма гема связывает оксид углерода (СО) и приобретает характерное поглощение света при 450 нм. Поэтому такая группа ферментов носит название цитохромы Р450 (цитР450). Система цитР450 принимает участие во многих процессах обмена веществ, например в биосинтезе стероидных гормонов, желчных кислот и эйкозаноидов ,а также в образовании ненасыщенных жирных кислот.

24. Вітаміни. Роль вітамінів у харчуванні тварин і людей. Водорозчинні вітаміни.

Витамины — группа низкомолекулярных органических соединений относительно простого строения и разнообразной химической природы. Это сборная, в химическом отношении, группа органических веществ, объединѐнная по признаку абсолютной необходимости их для гетеротрофного организма в качестве составной части пищи. Витамины содержатся в пище в очень малых количествах, и поэтому относятся к микронутриентам. Витамины участвуют во множестве биохимических реакций, выполняя каталитическую функцию в составе активных центров большого количества разнообразных ферментов либо выступая информационными регуляторными посредниками, выполняя сигнальные функции экзогенных прогормонов и гормонов. Они не являются для организма поставщиком энергии и не имеют существенного пластического значения. Однако витаминам отводится важнейшая роль в обмене веществ. Концентрация витаминов в тканях и суточная потребность в них невелики, но при недостаточном поступлении витаминов в организм наступают характерные и опасные патологические изменения. Большинство витаминов не синтезируются в организме человека. Поэтому они должны регулярно и в достаточном количестве поступать в организм с пищей или в виде витаминно-минеральных комплексов и пищевых добавок. Исключение составляет витамин К, достаточное количество которого в норме синтезируется в толстом кишечнике человека за счѐт деятельности бактерий. С нарушением поступления витаминов в организм связаны 3 принципиальных патологических состояния: недостаток витамина — гиповитаминоз, отсутствие витамина — авитаминоз, и избыток витамина — гипервитаминоз. Известно около полутора десятков витаминов. Исходя из растворимости, витамины делят на жирорастворимые — A, D, E, F, K и водорастворимые — все остальные. Жирорастворимые витамины накапливаются в организме, причѐм их депо являются жировая ткань и печень. Водорастворимые витамины в существенных количествах не депонируются, а при избытке выводятся. Это с одной стороны объясняет то, что довольно часто встречаются гиповитаминозы водорастворимых витаминов, а с другой — иногда наблюдаются гипервитаминозы жирорастворимых витаминов. Витамины отличаются от других органических пищевых веществ тем, что не включаются в структуру тканей и не используются организмом в качестве источника энергии (не обладают калорийностью).

Поливитамины — фармакологические препараты или естественные многокомпонентные полидисперсные вещества, содержащие в своѐм составе комплекс витаминов и минеральные соединения. Единственным натуральным пищевым поливитамином является грудное молоко, в котором содержится ценный набор из многих эссенциальных витаминов.

Витамины, которые растворяются в воде и из пищи поступают сразу в кровь, называются водорастворимыми. Они не накапливаются в тканях и достаточно быстро выводятся из организма.

Содной стороны, такие свойства позволяют избежать их избытка в организме, с другой – постоянно образующийся дефицит приходится восполнять. Поэтому в ежедневное меню стоит включить продукты, богатые водорастворимыми витаминами.

В группу В входит сразу несколько витаминов. Они принимают активное участие в обмене веществ и регуляции деятельности всего организма.

С(аскорбиновая кислота) повышает иммунитет и ускоряет выздоровление при респираторных заболеваниях, укрепляет кровеносные сосуды, способствует усвоению железа, здоровью десен и костной ткани. Организмом C не вырабатывается, его суточная доза составляет 100 миллиграмм. Обеспечить это количество можно, например, съев полкило свежих апельсинов или грейпфрутов. Много его в помидорах, сладком перце, квашеной капусте, черной смородине, лимонах, киви и бананах.

H (биотин) условно относится к группе B. Участвует в обмене веществ, важен для нормального состояния кожи и волос. Питает полезную флору в кишечнике, поддерживает работу нервной системы. Частично вырабатывается в организме. Суточная доза точно не определена, ученые предполагают, что она составляет 200 микрограмм. Столько биотина можно получить из 200 г говяжьей печени. Кроме того, витамин Н содержится в грибах (особенно лисичках), цветной капусте, яблоки, нешлифованном рисе.

Р ( биофлавоноиды) – группа биологически активных веществ. Состоит из кверцетина, кахетина, рутина и геспердина и еще почти 5000 других.

РР участвует в обменных процессах организма, регулирует деятельность мозга и работу надпочечников. Суточная доза 15–25 миллиграмм, столько РР содержится в 250 г куриного мяса.

Частично он синтезируется микрофлорой в кишечнике человека, а остальное можно получить из печени, почек, говяжьего мяса, зеленых овощей, бобовых и грибов.

N (липоевая кислота) принимает активное участие в обменных процессах в организме, улучшает зрение, усиливает защитные функции печени и регулирует усвоение глюкозы нервными клетками. Усиливает действие других витаминов, например С и Е. Суточная доза 1–2 миллиграмма, столько липоевой кислоты в 200 г молока, или таком же количестве говядины. Также витамин N есть в печени, рисе и капусте.

Поскольку суточная потребность человека в витаминах составляет лиш незначительные их количества (порядка миллиграммов или даже микрограммов), витамины можно назвать микрокомпонентами пищи. В отличие от них макрокомпоненты -углеводы, белки и должны входить в пищевой раціон человека в больших количествах, так как суточная потребность в них исчисляется сотнями или по меньшей мере десятками граммов. Это объясняется тем, что основные пищевые вещества используются в организме в качестве источников энергии и сырья для получения органических предшественников многих клеточных компонентов, а также для того, чтобы обеспечить аминокислотами біосинтез белков. Витамины же, напротив, нужны лишь в малых количествах, потому что они играют роль катализаторов в различных химических превращениях макрокомпонентов пищи - превращениях, которые в совокупности называются обменом веществ, или метаболизмом. Подобно ферментам, витамины присутствуют в тканях в очень низких концентрациях.

В настоящее время известно 13 различных витаминов, которые вместе с основными питательными веществами - углеводами, жирами и белками-должны содержаться в пищевом рационе людей и животных многих видов, чтобы обеспечить нормальный рост и жизнедеятельность организма. Термин «витамин» впервые был использован для обозначения специфического микрокомпонента пищи органической природы, предотвращающего обусловленную неполноценным питанием болезнь бери-бери, распространенную когда-то в странах, население которых употребляло в пищу много риса. Поскольку этотмикрокомпонент обладал свойствами амина, Казимир Функ, польский биохимик, первым получивший это вещество в чистом виде, назвал его «витамин», что в переводе означает «необходимый для жизни амин». В дальнейшем, когда были открыты многие другие незаменимые органические микрокомпоненты, оказалось, чго далеко не все они представляют собой амины. Почти все известные витамины присутствуют в клетках всех животных и большинства растений и микроорганизмов, выполняя в них одни и те же важне биохимические функции. Однако не все эти витамины должны обязательно содержаться в пищевом рационе всех видов животных. Например, хотя витамин С должен присутствовать в пище людей, обезьян, морских свинок и индийских крыланов, большинство остальных животных не нуждается в том, чтобы получать его с пищей, так как у них есть ферменты, которые обеспечивают синтез витамина С из такого простого предшественника, как глюкоза. Таким образом, в настоящее время термин витамин применяется в общем смысле для обозначения группы органических веществ, присутствующих в клетках в очень небольших количествах и участвующих в их нормальной жизнедеятельности. При этом некоторые организмы не способны синтезировать те или иные витамины, и потому должны получать их из внешних источников.

25.Номенклатура і принципи класифікації ферментів, їхня будова і роль у життєдіяльності організму. Подібність ферментів до небілкових каталізаторів.

Активний центр ферменту. Роль металів у ферментативному каталізі.

Согласно Международной классификации, ферменты делят на шесть главных классов, в каждом из которых несколько подклассов: 1) оксидоредуктазы; 2) трансферазы; 3) гидролазы; 4) лиазы; 5) изомеразы; 6) лигазы (синтетазы) (табл. 4.5).

Оксидоредуктазы. К классу оксидоредуктаз относят ферменты, катализирующие с участием двух субстратов окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления. Систематические названия их составляют по форме «донор: акцептор оксидоредуктаза». Например, лактат: НАД+ оксидоредуктаза для лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Различают следующие основные оксидоредуктазы: аэробные дегидро-геназы или оксидазы, катализирующие перенос протонов (электронов) непосредственно на кислород; анаэробные дегидрогеназы, ускоряющие перенос протонов (электронов) на промежуточный субстрат, но не на кислород; цитохромы, катализирующие перенос только электронов. К этому классу относят также гемсодержащие ферменты каталазу и пероксидазу, катализирующие реакции с участием перекиси водорода.

Трансферазы. К классу трансфераз относят ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных атомов, групп атомов и радикалов. Наименование их составляется по форме «донор: транспортируемая группа – трансфераза». Различают трансферазы, катализирующие перенос одноуглеродных остатков, ацильных, гликозильных, альдегидных или кетонных, нуклеотидных остатков, азотистых групп, остатков фосфорной и серной кислот и др. Например: метил- и формилтрансферазы, ацетилтрансферазы, амино-трансферазы, фосфотрансферазы и др.

Гидролазы. В класс гидролаз входит большая группа ферментов, катализирующих расщепление внутримолекулярных связей органических веществ при участии молекулы воды. Наименование их составляют по форме «субстрат-гидролаза». К ним относятся: зстеразы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза и синтеза сложных эфиров; гликозидазы, ускоряющие разрыв гликозидных связей; фосфатазы и пептидгидролазы, катализирующие гидролиз фосфоангидридных и пептидных связей; ами-дазы, ускоряющие разрыв амидных связей, отличных от пептидных, и др.

Лиазы. К классу лиаз относят ферменты, катализирующие разрыв связей С—О, С—С, С—N и других, а также обратимые реакции отщепления различных групп от субстратов не гидролитическим путем. Эти реакции сопровождаются образованием двойной связи или присоединением групп к месту разрыва двойной связи. Ферменты обозначают термином «субстрат-лиазы». Например, фумарат-гидратаза (систематическое название «L-малат-гидролаза») катализирует обратимое отщепление молекулы воды от яблочной кислоты с образованием фумаровой кислоты. В эту же группу входят декарбоксилазы (карбокси-лиазы), амидин-лиазы и др.

Изомеразы. К классу изомераз относят ферменты, катализирующие взаимопревращения оптических и геометрических изомеров. Систематическое название их составляют с учетом типа реакции: «субстрат – цис-транс-изомераза». Если изомеризация включает внутримолекулярный перенос группы, фермент получает название «мутаза». К этому же классу относят рацемазы и эпимеразы, действующие на амино- и оксикислоты, углеводы и их производные; внутримолекулярные оксидоредуктазы, катализирующие взаимопревращения альдоз и кетоз; внутримолекулярные трансферазы, переносящие ацильные, фосфорильные и другие группы, и т.д.

Лигазы (синтетазы). К классу лигаз относят ферменты, катализирующие синтез органических веществ из двух исходных молекул с использованием энергии распада АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата). Систематическое название их составляют по форме «X : Y лигаза», где X и Y обозначают исходные вещества. В качестве примера можно назвать L-глутамат: аммиак лигазу (рекомендуемое сокращенное название «глутаминсинтета-за»), при участии которой из глутаминовой кислоты и аммиака в присутствии АТФ синтезируется глутамин.

Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е). Тот участок поверхности молекулы фермента, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата, называется активным центром фермента.

Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента.

Активный центр — особая часть молекулы фермента, определяющая еѐ специфичность и каталитическую активность. Активный центр непосредственно осуществляет взаимодействие с

молекулой субстрата или с теми еѐ частями, которые непосредственно участвуют в реакции. Характер взаимодействия фермента и субстрата говорит о наличии в активном центре ряда структурных групп, соединяющихся с различными участками субстрата. Взаимодействие между активным центром фермента и молекулой субстрата осуществляется при их сближении на расстояние порядка 15—20 ангстрем, с увеличением расстояния оно быстро ослабевает (хотя среди различных ферментов могут иметь место вариации).

Вего пределах различают Адсорбционный участок (центр) и каталитический участок (центр). Каталитический центр - это та область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Например, каталитический центр "серин-гистидиновых" ферментов формируется за счет радикалов аминокислот серина и гистидина. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K.

Адсорбционный центр - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому является обратимой. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Такое соответствие - не заранее "готовое", а формирующееся в ходе взаимодействия - американский ученый Кошленд положил в основу теории индуцированного соответствия (или наведенного соответствия), которая преодолела ограниченность существовавшей ранее теории ключа и замка (жесткого соответствия структуры субстрата структуре адсорбционного центра).

Вчеловеческом организме беспрерывно работают тысячи различных ферментов — белковых энзимов, выполняющих функцию специфических катализаторов превращения веществ в организме. Только с их помощью возможно обновление состарившихся и изношенных клеток, превращение питательных веществ в энергию жизни и строительные материалы для создания новых клеток, обезвреживание отходов (продуктовобмена веществ, или метаболизма, чужеродных телу веществ), защита организма от болезнетворных микроорганизмов и даже заживление ран.

Энзимы — это крошечные, невидимые нашему глазу «биохимики». Благодаря наличию энзимов (ферментов) в живом организме осуществляются, ускоряются, управляются все жизнеобеспечивающие процессы. Сами энзимы при этом не изменяются. Вот почему их называют биокатализаторами.

Сходство ферментов с небиологическими катализаторами заключается в том, что:

ферменты катализируют энергетически возможные реакции;

энергия химической системы остаѐтся постоянной;

в ходе катализа направление реакции не изменяется;

ферменты не расходуются в процессе реакции.

Отличия ферментов от небиологических катализаторов заключаются в том, что:

скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами;

ферменты обладают высокой специфичностью;

ферментативная реакция проходит в клетке, т.е. при температуре 37 °С, постоянном атмосферном давлении и физиологическом значении рН;

скорость ферментативной реакции может регулироваться.

разновидность катализа, хотя термин "ферментация" (брожение)известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа.

26. Вуглеводи та їхня біологічна роль. Класифікація та номенклатура вуглеводів. Структура і властивості моно- і полісахаридів.

Углеводы (сахара) — группа природных полигидроксиальдегидов и полигидроксикетонов с общей формулой (CH2O)n. Группа включает простые сахара (моносахариды) и их высокомолекулярные аналоги, олигосахариды и полисахариды. Полисахариды, прежде всего крахмал и некоторые дисахариды, являются важными (хотя и не жизненно необходимыми) компонентами питания. В кишечнике они расщепляются до моносахаридов, которые затем всасываются слизистой кишечника. Транспортной формой углеводов в крови позвоночных является глюкоза. Глюкоза поступает в клетки, где используется в качестве клеточного "топлива" (гликолиз) или превращается в другие метаболиты. Гликоген откладывается в некоторых органах (печень, мышцы) в качестве резервного полисахарида Полисахариды служат строительным материалом для многих организмов. Так, в клеточных стенках бактерий в качестве стабилизирующего структурного компонента присутствует муреин В растениях эту функцию выполняют целлюлоза и другие полисахариды .Олигомерные и полимерные углеводы часто встречаются в ковалентно связанном виде с липидами (гликолипиды) или белками (гликопротеины), входящими в состав клеточных мембран. Растворимые гликопротеины присутствуют в плазме крови , а также входят в состав протеогликанов, которые являются важными структурными компонентами межклеточного матрикса.

Структура моносахаридів. Важнейший природный моносахарид, D-глюкоза, является алифатическим альдегидом, содержащим шесть углеродных атомов, пять из которых имеют гидроксильные группы . Поскольку атомы С-2 — С-5 являются хиральными центрами кроме D-глюкозы существует 15 изомерных альдогексоз, лишь немногие из которых встречаются в природе. У большинства природных моносахаридов С-5 имеет конфигурацию D-глицеринового альдегида. В нейтральном растворе менее 0,1% молекул глюкозы находятся в ациклической форме, Подавляющая часть глюкозы присутствует в форме циклического полуацеталя , образованного в результате взаимодействия карбонильной группы с одной из гидроксильных групп. В альдогексозах реакция идет главным образом по гидроксильной группе С-5 с образованием шестичленного пиранового цикла. Сахара с шестичленным циклом называются пиранозами. Замыкание кольца с участием гидроксильной группы С-4 дает фурановый цикл, а сахара с таким циклом называются фуранозами.

Врастворе все три формы, пиранозная, фуранозная и ациклическая находятся в динамическом равновесии. Циклические формы моносахаридов принято изображать в виде проекционных формул , где цикл представлен в перспективе (проекции Хеуорса) Заместители при хиральных атомах углерода располагаются над или под плоскостью кольца в зависимости от их конфигурации. ОНГруппы, которые в фишеровской проекции находятся справа, в проекции Хеуорса располагаются

под плоскостью кольца, а группы, находящиеся слева, — над плоскостью кольца. При образовании полуацеталей в молекуле появляется дополнительный асимметрический центр С-1, что делает возможным существование двух стерео изомеров. Соответствующие связи на схеме указаны волнистыми линиями. В проекциях Хеуорса не учитывается тот факт, что в действительности

пиранозный цикл не плоский, а имеет форму кресла . В представленной на схеме конформации D- глюкопиранозы (1С4-конформация, 3) большинство OH-гpyпп (как и в проекции Хеуорса) располагаются перпендикулярно плоскости кольца (аксиально, а-положение). Единственное исключение составляет полуацетальная ОН-группа при С-1, которая занимает экваториальное (е) положение.

Структура полисахаридов. Полисахариды, построенные из моносахаридных звеньев одного типа, называются гомогликаны, а построенные из различных моносахаридных звеньев — гетерогликаны. Оба полимера могут быть линейными или разветвленными.

Вкачестве примера разветвленного гомогликана здесь представлен фрагмент молекулы гликогена. Похожее строение имеет амилопектин, разветвленный компонент растительного крахмала. Оба полимера построены в основном из остатков глюкозы, связанных в положении α(1→4). B гликогене точки ветвления располагаются в среднем через каждые 8-10 остатков глюкозы. Связи в точках ветвления находятся в положении α(1→8), остальные остатки боковой цепи связаны в положении α(1→4). За счет этого образуется разветвленная, древовидная структура, в которой имеется только одна аномерная ОН-группа, т.е. только один восстанавливающий конец. Сложную структуру имеет линейный гетерогликан муреин, который в качестве структурного полисахарида придает прочность клеточным стенкам бактерий. На схеме приведен только один сегмент этой нитевидной молекулы. В муреине чередуются остатки двух различных моносахаридов, связанных в положении β(1→4): N-

ацетилглюкозамина (GlcNAc) и характерной для муреина N-ацетилмурамовой кислоты (MurNAc).

Последняя является простым эфиром молочной кислоты с N-ацетилглюкозамином. В клеточной стенке карбоксильная группа молочной кислоты связана амидной связью с пептидом (на схеме показан условно), который соединяет отдельные цепи муреина в трехмерную сетчатую структуру (на схеме не приведена).

По функциональным свойствам они подразделяются на три группы. Структурные полисахариды придают клеткам, oрганам и целым организмам механическую прочность. Водорастворимые полисахариды высоко гидратированы и предохраняют от высыхания клетки и ткани. Наконец, резервные полисахариды служат энергетическим ресурсом, из которого номере необходимости в организм поступают моносахариды, являющиеся клеточным "топливом". Благодаря полимерной природе резервные полисахариды осмотически неактивны и поэтому могут накапливаться в клетках в больших количествах.

Углеводы служат основным источником энергии. Свыше 56% энергии организм получает за счет углеводов, остальную часть - за счет белков и жиров. В зависимости от сложности строения, растворимости, быстроты усвоения углеводы пищевых продуктов подразделяются на простые углеводы: моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза), дисахариды (сахароза, лактоза) и сложные углеводы, или полисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка). Простые углеводы легко растворяются

вводе и быстро усваиваются. Они обладают выраженным сладким вкусом и относятся к сахарам. Наиболее распространенный моносахарид - глюкоза - содержится во многих плодах и ягодах, а также образуется в организме в результате расщепления дисахаридов и крахмала пищи. Глюкоза наиболее быстро и легко используется в организме для образования гликогена, для питания тканей мозга, работающих мышц (в том числе и сердечной мышцы), для поддержания необходимого уровня сахара в крови и создания запасов гликогена печени. Во всех случаях при большом физическом напряжении глюкоза может использоваться как источник энергии. Фруктоза обладает теми же свойствами, что и глюкоза, и может рассматриваться как ценный, легкоусвояемый сахар. Однако она медленнее усваивается в кишечнике и, поступая в кровь, быстро покидает кровяное русло. Фруктоза

взначительном количестве (до 70 - 80%) задерживается в печени и не вызывает перенасыщение крови сахаром. В печени фруктоза более легко превращается в гликоген по сравнению с глюкозой. Фруктоза усваивается лучше сахарозы и отличается большей сладостью. Высокая сладость фруктозы позволяет использовать меньшие ее количества для достижения необходимого уровня сладости продуктов и таким образом снизить общее потребление сахаров, что имеет значение при построении пищевых рационов ограниченной калорийности. Избыток сахарозы оказывает влияние на жировой обмен, усиливая жирообразование. Установлено, что при избыточном поступлении сахара усиливается превращение в жир всех пищевых веществ (крахмала, жира, пищи, частично и белка). Таким образом, количество поступающего сахара может служить в известной степени фактором, регулирующим жировой обмен. Обильное потребление сахара приводит к нарушению обмена холестерина и повышению его уровня в сыворотке крови. Избыток сахара отрицательно сказывается на функции кишечной микрофлоры. При этом повышается удельный вес гнилостных микроорганизмов, усиливается интенсивность гнилостных процессов в кишечнике, развивается метеоризм. Установлено, что в наименьшей степени эти недостатки проявляются при потреблении фруктозы. Основными источниками фруктозы являются фрукты и ягоды. Глюкоза и фруктоза широко представлены в меде: содержание глюкозы достигает 36.2%, фруктозы - 37.1%. В арбузах весь сахар представлен фруктозой, количество которой составляет 8%. Третий моносахарид - галактоза - в свободном виде в пищевых продуктах не встречается. Галактоза является продуктом расщепления основного углевода молока - лактозы. Из дисахаридов в питании человека основное значение имеет сахароза, которая при гидролизе распадается на глюкозу и фруктозу. Источниками сахарозы в питании человека являются, главным образом, тростниковый и свекловичный сахар. Содержание сахарозы в сахаре-песке составляет 99.75%. Натуральными источниками сахарозы являются бахчевые, некоторые овощи и фрукты.

27. Сучасні уявлення про структуру білків. Рівні просторової організації білка. Характеристика зв`язків, які їх стабілізують. Шаперони та їхня біологічна роль.

При соединении аминокислот в цепочку образуется линейная макромолекула белка. В любом живом организме содержатся тысячи белков, выполняющих разнообразные функции.

Кроме последовательности аминокислот полипептида (первичной структуры), крайне важна третичная структура белка, которая формируется в процессе фолдинга (от англ. folding, «сворачивание»). Третичная структура формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней. Выделяют четыре уровня структуры белка[14]:

Первичная структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы — сочетания аминокислот, играющих ключевую роль в функциях белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаѐтся предсказать функцию неизвестного белка.

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями. Ниже приведены самые распространѐнные типы вторичной структуры белков:

o α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6

аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм[15] (так что на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм), спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L). Хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина. Расположенные близко друг к другу остатки аспарагина, серина, треонина и лейцина могут стерически мешать образованию спирали, остатки пролина вызывает изгиб цепи и также нарушает α-спирали.

oβ-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в

которых водородные связи образуются между относительно удалѐнными друг от друга (0,347 нм на аминокислотный остаток[15]) в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны

oнеупорядоченные фрагменты.

Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи (набор пространственных координат составляющих белок атомов). Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. В стабилизации третичной структуры принимают участие:

oковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики);

o ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;

o водородные связи;

oгидрофильно-гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула «стремится» свернуться так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

Четверичная структура (или субъединичная, доменная) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие

всостав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же

типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.

К настоящему времени описано несколько классов шаперонов, различающихся по структуре и специфическим функциям. Все шапероны являются так называемыми "белками теплового шока", синтез которых резко увеличивается в стрессовых для клетки ситуациях. Поэтому сокращенное название этих белков - hsp (heat shock proteins). Однако и в нормальных условиях каждая клетка содержит определенный набор шаперонов, необходимых для ее жизнедеятельности. Классификация шаперонов основана на величине молекулярной массы составляющих их полипептидных цепей (субъединиц), которая варьирует от 10 кДа (килодальтонов) (для белка hsp10) до 90 кДа (для белка hsp90) и выше. По характеру выполняемых этими белками функций их можно разделить на два больших семейства - шапероны, или hsp70, и шаперонины, к которым относятся hsp60 и hsp10.

Шапероны, удерживающие белки в развернутом состоянии Взаимодействие шаперонов с синтезируемым белком начинается еще до схождения полипептидной

цепи с рибосомы. Связываясь с отдельными участками "опекаемой" ими полипептидной цепи, молекулы hsp70 образуют прочные комплексы, удерживающие цепь в развернутом состоянии. Взаимодействие не является специфическим (шапероны не различают белки по их аминокислотной последовательности) и в основном реализуется благодаря силам гидрофобного характера. Прочно фиксированная на шаперонах полипептидная цепь не способна к сворачиванию в нативную структуру, так как не обладает необходимой для этого подвижностью. Главная функция hsp70 состоит в удержании вновь синтезируемых белков от неспецифической агрегации и в их передаче другому "белку-помощнику", шаперонину, роль которого - обеспечить оптимальные условия для эффективного сворачивания.

В клетках эукариот шапероны выполняют также важную роль в транспорте белков через мембраны митохондрий, хлоропластов и эндоплазматического ретикулума. Такой транспорт необходим, так как многие белки клеточных органелл синтезируются в цитоплазме, а окончательно сворачиваются в месте своей постоянной локализации. Роль hsp70, "подносящего" к мембране частично развернутый белок, становится понятной, если учесть, что разворачивание - обязательное условие проникновения белковой молекулы через мембрану. Интересно, что митохондриальный матрикс содержит собственные шапероны, "подхватывающие" пересекающий мембрану белок и способствующие его "втягиванию" в митохондрию. Аналогичный механизм реализуется и при проникновении синтезированных в цитоплазме белков в просвет эндоплазматического ретикулума. Возникает вопрос: от чего же зависит прочность связывания шаперона с полипептидной цепью? Каков механизм, позволяющий развернутому белку освободиться от hsp70 и перейти на шаперонин (hsp60)? Детальные исследования, проведенные на системах белков, выделенных из клеток бактерий, показали, что главным фактором является способность шаперона связывать АТФ, в определенных условиях осуществлять его гидролиз и изменять прочность взаимодействия с полипептидной цепью в зависимости от природы связанного нуклеотида (АТФ или АДФ). Согласно предложенной схеме (которая, вероятно, применима и для описания действия шаперонов в цитоплазме эукариотической клетки, а также в матриксе митохондрий), происходит следующее :Шаперон, содержащий связанную АТФ, присоединяет (в присутствии специального "белка-помощника") развернутую полипептидную цепь. Это сопровождается гидролизом АТФ и образованием прочного комплекса шаперона (в связи с АДФ), полипептидной цепи и "белка-помощника".

Создав шаперонины, природа нашла элегантный способ обеспечить сворачивание белка в условиях, исключающих его агрегацию с другими белками внутри клетки. Действительно, попадая в центральный канал молекулы шаперонина, единичная полипептидная цепь оказывается полностью изолированной и получает возможность реализовывать медленные стадии сворачивания с очень высоким выходом нативного белка. Как и в случае hsp70, связывание развернутого белка с шаперонином и его отщепление регулируются АТФ-азной активностью шаперонина. В связывании сворачивающегося белка (находящегося в состоянии "расплавленной глобулы") может принимать участие каждая из 14 субъединиц олигомерной молекулы шаперонина. Количество мест связывания зависит от стадии сворачивания: чем ближе структура к нативной, тем меньше участков, "распознаваемых" шаперонином. Роль маленького шаперонина hsp10, называемого ко-шаперонином, закрывающего вход в центральный канал, состоит в том, чтобы предотвращать "преждевременный" выход во внешнюю среду белка, не завершившего окончательное сворачивание в нативную структуру.