- •Федеральное агентство по образованию
- •СОдержАние
- •I. Теоретическая часть предмет биохимии
- •1. Химия белков
- •1.1. Методы выделения и очистки белков
- •1.2. Функции белков
- •1.3. Аминокислотный состав белков
- •1.4. Структурная организация белков
- •1.5. Физико-химические свойства белков
- •1.6. Классификация белков
- •1.6.1. Простые белки
- •1. Альбумины и глобулины.
- •2. Протамины и гистоны.
- •3. Проламины и глютелины.
- •1.6.2. Сложные белки
- •Структура нуклеиновых кислот
- •Контрольные вопросы
- •2. Ферменты
- •2.1. Химическая природа ферментов
- •2.2. Механизм действия ферментов
- •2.3. Кинетика ферментативных реакций
- •2.4. Свойства ферментов
- •2.5. Регуляция активности ферментов
- •1. Контроль количества фермента.
- •2. Контроль активности фермента.
- •2.2. Химическая модификация фермента
- •2.3. Аллостерическая регуляция
- •2.6. Классификация и номенклатура ферментов
- •2.7. Ферменты в медицине
- •2. Приобретенные энзимопатии.
- •Контрольные вопросы
- •3. Витамины
- •3.1. Жирорастворимые витамины
- •3.2. Водорастворимые витамины
- •Контрольные вопросы
- •4. Основные принципы организации биомембран
- •4.1. Строение и функции мембран
- •1. Фосфолипиды (до 90%) – глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды: фосфатидилхолин
- •Церамид
- •Галактозилцерамид
- •4.2. Транспорт веществ через мембрану
- •2. Облегченная диффузия
- •Контрольные вопросы
- •5. Механизмы передачи гормонального сигнала
- •Трансмембранная передача гормонального сигнала
- •Контрольные вопросы
- •6. Введение в метаболизм
- •6.1. Общая схема катаболизма
- •6.2. Биоэнергетика
- •6.3. Организация и функционирование дыхательной цепи
- •6.4. Разобщение окисления и фосфорилирования
- •6.5. Генерация свободных радикалов в клетке
- •6.6. Реакции общего пути катаболизма
- •6.6.1. Окислительное декарбоксилирование пвк
- •6.6.2. Цикл трикарбоновых кислот
- •Регуляция общего пути катаболизма
- •Контрольные вопросы
- •7. Обмен углеводов
- •7.1. Переваривание углеводов
- •7.2. Обмен гликогена
- •7.3. Гликолиз
- •7.4. Включение фруктозы и галактозы в гликолиз
- •7.5. Челночные механизмы
- •7.6. Цикл кори
- •7.7. Спиртовое брожение
- •7.8. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы
- •7.9. Глюконеогенез
- •7.10. Регуляция обмена углеводов
- •Глюкоза → глюкозо-6-фосфат.
- •Пируват → оксалоацетат → фосфоенолпируват
- •7.11. Нарушения углеводного обмена Нарушение гидролиза и всасывания углеводов.
- •Гликогенозы
- •Нарушения промежуточного обмена углеводов
- •Гипер- и гипогликемия
- •Глюкозурия
- •Контрольные вопросы
- •II. Лабораторный практикум Работа 1. Анализ аминокислот и белков
- •1. Качественный анализ аминокислотных смесей методом бумажной хроматографии.
- •2. Цветные реакции на белки.
- •3. Реакции осаждения белков.
- •3. 1. Осаждение белков при нагревании.
- •3.2. Осаждение белков солями тяжелых металлов.
- •3.3. Осаждение белков концентрированными минеральными кислотами.
- •3.5. Осаждение белков органическими кислотами.
- •Контрольные вопросы
- •Работа 2. Сложные белки – фосфопротеины и гликопротеины
- •2. Гликопротеины.
- •1.2. Реакция с дифениламином.
- •2.Хромопротеины.
- •2.1. Бензидиновая проба на геминовую группировку гемоглобина.
- •Контрольные вопросы
- •4. Специфичность действия ферментов амилазы и сахаразы.
- •Контрольные вопросы
- •Работа 5. Определение активности ферментов
- •1. Действие активаторов и ингибиторов на α-амилазу слюны.
- •2. Определение активности α-амилазы слюны по Вольгемуту.
- •Контрольные вопросы
- •Работа 6. Витамины
- •9.1. Взаимодействие витамина с с к3[Fe(cn)6].
- •9.2. Реакция с метиленовой синью.
- •Контрольные вопросы
- •Работа 7. Оксидоредуктазы
- •1. Обнаружение дегидрогеназы (ксантиноксидаза, альдегиддегидрогеназа, кф 1.1.3.22) в молоке (реакция Шардингера).
- •2. Сопоставление редокс-потенциалов рибовлавина и метиленового синего.
- •3. Определение каталазы по а.Н. Баху и а.И. Опарину.
- •Контрольные вопросы
- •Работа 8. Обмен углеводов
- •3.1. Реакция Троммера с гидроксидом меди.
- •3.2. Выявление фруктозурии пробой Селиванова.
- •3.3. Энзиматический метод полуколичественного определения глюкозы в моче с помощью тест-полоски "glucophan".
- •Контрольные вопросы
- •Литература
6.2. Биоэнергетика
На предыдущей лекции была рассмотрена общая схема катаболизма. Одна из основных функций катаболизма - извлечение химической энергии из содержащихся в пище веществ и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций.
Энергетическое обеспечение клетки может происходить в бескислородных условиях:
Энергия окисляющихся веществ используется для синтеза АТФ из АДФ. АТФ – универсальный источник энергии в организме.
Если энергия, освобождающаяся при реакции гидролиза вещества, превышает 30 кДж/моль, то гидролизуемую связь называют высокоэнергетической (макроэргической). Энергия гидролиза АТФ в среднем 50 кДж/моль. Макроэргическая связь в формуле обозначается знаком (тильда).
Один из путей синтеза АТФ из АДФ - субстратное фосфорилирование - образование АТФ за счет энергии другого макроэргического соединения:
Использование клетками кислорода открывает возможности для более полного окисления субстратов.
Тканевое дыхание - совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, сопровождающихся потреблением молекулярного кислорода и приводящих к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии.
Впервые сущность дыхания объяснил Антуан Лоран Лавуазье (1777), обративший внимание на сходство между горением органических веществ вне организма и дыханием животных. В организме окисление протекает при относительно низкой температуре в присутствии воды, и его скорость регулируется обменом веществ.
Рассмотрим реакцию окисления глюкозы:
В организме этот процесс протекает многостадийно. Углерод превращается в диоксид углерода за счет кислорода самого окисляемого вещества и кислорода воды. В реакции участвуют акцепторы водорода, которые переносят его на кислород. Кислород используется для синтеза воды за счет водорода окисляемых субстратов.
Таким же способом окисляются и другие вещества. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характеризуются почки, мозг, печень, наименьшей - кожа, мышечная ткань (в покое).
Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование – синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, происходящий благодаря энергии, выделяющейся при окислении органических веществ в процессе клеточного дыхания, т.е. сопряжение дыхания и фосфорилирования.
6.3. Организация и функционирование дыхательной цепи
Окисление субстратов в процессе дыхания можно представить как перенос электронов и протонов (т. е. атомов водорода) от органических веществ на кислород. В этом процессе участвует ряд промежуточных переносчиков, образующих дыхательную цепь.
Дыхательная цепь (электронотранспортная цепь, цепь переноса электронов) - система трансмембранных белков и переносчиков электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород. В клетках эукариот дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий.
Восстановленный НАД служит универсальным донором атомов водорода для дыхательной цепи. При взаимодействии НАД+ и НАДФ+ с атомами водорода происходит обратимое присоединение атомов водорода. При этом в молекулу НАД+ (НАДФ+) включаются 2 электрона и один протон, а второй протон остается в среде:
Другим первичным источником атомов водорода и электронов служит восстановленный флавопротеин (ФАД или ФМН):
Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать водород и электроны к дыхательной цепи митохондрий.
Компоненты дыхательной цепи встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов (рис. 19).
|
Рис. 19. Митохондриальная дыхательная цепь
|
Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) включает ФМН и железосерный белок FeS (негемовое железо). Железосерный белок участвует в окислительно-восстановительном процессе. Комплекс I окисляет НАДН, перенося с него 2 электрона на KoQ. Комплекс I также перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.
KoQ (убихинон) - производное бензохинона. Это некрупная липофильная молекула. Перемещаясь в липидном слое мембраны, убихинон обеспечивает передачу электронов между комплексами I - III и II - III.
Комплекс II (сукцинат-дегидрогеназа) включает ФАД и железосерный белок. Обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счёт окисления сукцината.
Комплекс III (QН2-дегидрогеназа) включает цитохромы b и с1 и железосерный белок. Цитохромы - гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Комплекс III переносит электроны с убихинона на цитохром с и перекачивает 2 протона в межмембранное пространство.
Комплекс IV (Цитохром c оксидаза) состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо гема, содержат ионы меди. Комплекс IV катализирует перенос электронов с молекул цитохрома на O2 и перекачивает 4 протона в межмембранное пространство.
Цитохром а3 представляет собой терминальный участок дыхательной цепи - цитохромоксидазу, которая осуществляет окисление цитохрома с и образование воды. В организме человека митохондриальная дыхательная цепь образует 300-400 мл воды за сутки (метаболическая вода).
Компоненты дыхательной цепи митохондрий расположены в порядке убывания окислительно-восстановительного потенциала. Перемещение электронов в дыхательной цепи происходит но градиенту окислительно-восстановительного потенциала и является источником энергии для переноса протонов. Перенос двух электронов через каждый комплекс обеспечивает перекачку четырех протонов. В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций протонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком «плюс» на наружной поверхности. Электрохимический потенциал понуждает протоны двигаться в обратном направлении - с наружной поверхности внутрь. Однако мембрана непроницаема для них, за исключением участков, где располагается фермент протонная АТФ-синтаза (рис. 20). Она состоит из двух частей – статора и ротора.
Статор состоит из трех α-субъединиц и трех βсубъединиц – они участвуют непосредственно в синтезе АТФ из АДФ и фосфата. К ним примыкает δ-субъединица, и все вместе они образуют F1-субъединицу.
Ротор состоит из гамма и эпсилон субъединиц.
Статор держится в мембране, а ротор вращается за счет энергии протонов.
|
Рис. 20. Строение протонной АТФ-синтазы.
|
В статоре имеется протонный канал (F0). Он состоит из двух полуканалов, которые смещены один относительно другого. Протон проходит одну половину канала, затем на вращающемся роторе попадает во вторую половину канала. Возникающая при движении протонов через канал разность электрохимических потенциалов приводит в действие АТФ-синтазу, катализирующую реакцию:
Хемиосмотическая концепция превращения энергии в живых клетках была выдвинута П. Митчеллом в 1960 г. для объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи. За развитие исследований в области биоэнергетики П. Митчеллу в 1978 г. была присуждена Нобелевская премия.
В дыхательной цепи есть только 3 участка, где перенос электронов сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ. Коэффициент фосфорилирования - отношение величины образовавшегося АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О. Максимальная величина коэффициента фосфорилирования 3, если реакция окисления идет с участием НАД, и 2, если окисление субстрата протекает через ФАД. Реально получаемые величины меньше (2,5 и 1,5). Т.е. процесс дыхания не полностью сопряжен с фосфорилированием. Степень сопряжения зависит главным образом от целостности митохондриальной мембраны.
Образующаяся АТФ при участии АДФ-АТФ-транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны и попадает в цитозоль. Одновременно та же транслоказа переносит АДФ в обратном направлении, из цитозоля в матрикс митохондрии.
Общее содержание АТФ в организме 30-50 г, но средняя продолжительность жизни молекулы АТФ меньше 1 мин. В сутки у человека синтезируется 40-60 кг АТФ и столько же распадается.
На каждое сокращение сердечной мышцы расходуется около 2% имеющейся в ней АТФ. Вся АТФ израсходовалась бы за 1 мин, если бы не было ее регенерации. При образовании тромба в коронарной артерии поступление кислорода в клетки прекращается, соответственно прекращается и регенерация АТФ, и клетки погибают (инфаркт миокарда).
Увеличение концентрации АДФ приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем.
Для оценки влияния адениловых нуклеотидов на процессы метаболизма используют энергетический заряд клетки (ЭЗК):
В норме ЭЗК=0,7-0,8: скорость образования АТФ равна скорости его использования, адениловая система насыщена энергией.
При ЭЗК<0,7 ускоряется образование АТФ путем увеличения скорости реакций общего пути катаболизма.
Если ЭЗК=1, то процессы синтеза АТФ тормозятся, и ускоряется ее использование.
Гипоэнергетические состояния подразделяются на:
- алиментарные (голодание, авитаминоз);
- гипоксические:
- нарушение поступления кислорода в кровь (легочная гипоксия),
- нарушение транспорта кислорода в ткани (гемодинамическая (кровопотеря, шок, пороки сердца) и гемоглобиновая (патология гемоглобина, блокирование его ядами) гипоксия),
- митохондриальные (затруднение использования кислорода в клетках) - нарушение функций митохондрий ингибиторами ферментов дыхательной цепи, разобщителями окисления и фосфорилирования, мембранотропными веществами.
При полном голодании пищевых резервов организма хватает на несколько недель, а кислорода - на 2-3 минуты. Поэтому гипоксия - наиболее частая причина гипоэнергетических состояний, а гипоксия мозга - непосредственная причина смерти. Поэтому среди реанимационных процедур ведущее место занимают меры, направленные на восстановление снабжения органов кислородом.