Химический состав нуклеиновых кислот

Структурная организация.

1.Под первичной структурой подразумевают порядок,последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи.Полипептидная связь образуется за счет альфа-карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой к-ты.Зная первичную стр-ру можно точно написать стр-ную формулу белковой молекулы,если она предстквлена одной полипептидной цепью. Первым белком у которого была выявлена 1-ная стр-ра является-инсулин,содержащий 51аминокислотный осткток,далее-иммуноглобулин,в 4-х полипептидных цепях которого насчитывается 1300 аминокислотных остатка.Молекула инсулина,состоящая из 2-х цепей (А-21 и В-30 аминокислотных остатков),образуется из своего предшественника-проинсулина (84 аминокислотных остатка),представленного одной полипептидной цепью,после отщепления от него пептида,состоящего из 33 аминокислотных остатков.Между цепями А и В и внутри А-цепи инсулина образуются дисульфидные (-S-S-) связи. 2.Под вторичной стр-рой белка подрозумевают конфигурацию полипептидной цепи,т.е.способ свертывания,скручивания полипептидной цепи в спиральную или какую- либо другую конфигурацию. Выделяют 2-е основные конфигурации: альфа-спираль и бета-структуры.Альфаспираль (Полинг):закручивание полипептидной цепи происходит по часовой стрелке,что обусловлено L-аминокислотным составом природных белков.Движущей силой в возникновении альфа-спиралей (так же как и бета-структур) является способность аминокислот к образованию водородных связей.В стр-ре альфа-спиралей открыт ряд закономерностей:на каждый виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.Не все глобулярные белки спирализованы на всем протяжении полипептидной цепи.В молекуле белка альфа-спиральные участки чередуются с линейными.Т.о. стабильность 2-ной стр-ры в основном обеспечивается водородными связями. Связь образуется при участии атома водорода находящегося между 2-мя сильнооттрицательными атомами.Она слабая,легко разрывается.Связь может образовватся между водородом аминогруппы одной пептидной связи и карбоксильной группы другой.В альфа-спирали такая связь образуется таким образом что каждая NH-группа пептидной связи соединяется с 4-ой по счету группой CO. 3.Третичная структура. Под 3-ной стр-рой белка подразумевают пространственную ориентацию полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме.Первым белком,3-ная стр-ра которого была выяснена на основании рентгенструктурного анализа,явился миоглобин кашалота.Его молекулярная масса 16700,содержит 153 аминокислотных остатка,представленный одной полипептидной цепью.Полипептидная цепь миоглобина представлена в виде изогнутой трубки,компактно уложенной вокруг гема(небелкового компанента,содержащего железо).Пространственная стр-ра белков в сильной степени зависит от рда факторов,в частности от ионной силы и от pH р-ра,температуры и т.д.В стабилизации пространственной стр-ры белков,помимо ковалентных связей(пептидные и дисульфидные связи),основную роль играют т.н. нековалентные связи.к ним относятся:межмолекулярные Ван-дер-ваальсовы силы,взаимодействие неполярных боковых радикалов,водородные связи,электростатическое взаимодействие,гидрофобные взаимодействия.Основной движущей силой в возникновении 3-хмерной стр-ры является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды (неполярные гидрофобные радикалы аминокислот как бы погружаются внутрь белковой молекулы,а полярные радикалы оказываются ориентированными в сторону воды. 4.Четвертичная структура. Под 4-ной стр-рой подразумевают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей,обладающих одинаковой (или разной) первичной,2-ной и 3-ной стр-рой, и формирование единого в стр-рном и функциональном отношениях макромолекулярного образования.Многи функциональные белки состоят из нескольких полипептидных цепей,соедененных нековалентными связями.Каждая отдельно взятая полипептидная связь,получившая название протомера (или субъеденицы),чаще всего не обладает биологической активностью.Эту способность белок преобретает при определенном способе пространственного обьединения входящих в его состав протомеров.Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров с молекулярными массами в пределах от нескольких тысяч до 100000 дальтон.В частности,молекула гемоглобина состоит из 2-х одинаковых альфа- и 2-х бета-полипептидных цепей,т.е.представляет собой тетрамер.Многие ферменты также обладают 4-ной.стр-ой(Пр.фосфорилаза).Основными силами,стабилизирующими 4-ную стр-ру,являются нековалентные связи между контактными площадками протомеров,которые взаимодействуют друг сдругом по типу комплементарности. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ Наиболее характерными физико-химическими свойствами белков являются высокая вязкость растворов, незначительная диффузия, способность к набуханию в больших пределах, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление и высокое онкотическое давление, способность к поглощению УФ-лучей при 280 нм.Белки, как и аминокислоты, амфотерны благодаря наличию свободных NH2- и СООН-групп. Для них характерны все свойства кислот и оснований. В зависимости от реакции среды и соотношения кислых и основных аминокислот белки в растворе несут или отрицательный, или положительный заряд, перемещаясь к аноду или катоду. Белки обладают гидрофильными свойствами. Растворы белков имеют очень низкое осмотическое давление, высокую вязкость и незначительную способность к диффузии. Белки способны к набуханию в очень больших пределах. Молекулы белка не способны проникать через полупроницаемые искусственные мембраны, а также биомембраны растительных и животных тканей. Белки относятся к высокомолекулярным соединениям, в состав которых входят сотни и даже тысячи аминокислотных остатков, объединенных в макромолекулярную структуру. Молекулярная масса белков колеблется от 6000 (нижний предел) до 1000000 и выше в зависимости от количества отдельных полипептидных цепей в составе единой молекулярной структуры белка. Такие полипептидные цепи получили название субъединиц. Аминокислотный состав и последовательность аминокислот выяснены для многих тысяч белков. На практике наиболее часто используются методы седиментационного анализа, гель-хроматография и гель-электрофорез. Обычно вычисляют молекулярную массу по скорости седиментации молекул белка или седиментационному равновесию диффузии. Денатурация белков Под влиянием различных физических и химических факторов белки подвергаются свертыванию и выпадают в осадок, теряя нативные свойства. Таким образом, под денатурацией следует понимать нарушение общего плана уникальной структуры нативной молекулы белка, преимущественно ее третичной структуры, приводящее к потере характерных для нее свойств. Внешние проявления денатурации сводятся к потере растворимости,особенно в изоэлектрической точке, повышению вязкости белковых растворов, увеличению количества свободных функциональных SH-групп и изменению характера рассеивания рентгеновских лучей. Наиболее характерным признаком денатурации является резкое снижение или полная потеря белком его биологической. Изоэлектрическая и изоионная точки белков В изоэлектрической точке суммарный заряд белков, обладающих амфотерными свойствами, равен нулю и белки не перемещаются в электрическом поле. Зная аминокислотный состав белка, можно приближенно определить изоэлектрическую точку является характерной константой белков.Изоэлектрическая точка большинства белков животных тканей лежит в пределах от 5,5 до 7,0, что свидетельствует о частичном преобладании кислых аминокислот. ФУНКЦИИ БЕЛКОВ Каталитическая функция Большинство известных в настоящее время ферментов, называемых биологическими катализаторами, является белками. Эта функ­ция белков определяет скорость химиче­ских реакций в биологических системах. Транспортная функция. Дыхательная функция крови, в частности перенос кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина —белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени. Защитная функция. Основную функцию защиты в организме выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков-антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов, вирусов или чужеродных белков. Высокая специфичность взаимодействия антител с антигенами (чужеродными веществами) по типу белок-белковое взаимодействие способствует узнаванию и нейтрализации биологического действия антигенов. Защитная функция белков проявляется и в способности ряда белков плазмы крови, в частности фибриногена, к свертыванию. В результате свертывания фибриногена образуется сгусток крови, предохра­няющий от потери крови при ранениях. Сократительная функция. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих жизненно важных процессах играют актин и миозин-специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы жизнедеятельности клеток. Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в част­ности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др. Большое значение имеют комплексы белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина и т.д. В комплексе с липидами белки участвуют в образовании биомембран клеток. Гормональная функция. Ряд гормонов представлен белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др. Некоторые гормоны являются производными аминокислот. Питательная функция. Эту функцию выполняют так назы­ваемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию. Можно назвать еще некоторые другие жизненно важные функции бел­ков. Это, в частности, экспрессия генетической информации, генерирование и передача нервных импульсов, способность поддерживать онкотическое давление в клетках и крови, буферные свойства, поддерживающие физио­логическое значение рН внутренней среды, и др.

 

2. ПОНЯТИЕ О ФЕРМЕНТАХ(Ф) Ферменты(энзимы)- высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами химических реакций(синтез, распад и взаимопревращение химических соединений). Большинство природных ферментов относится к классу сложных белков. Св-ва ферментов:

1.не расходуются в процессе катализа

2.катализируют реакции соответствующие зак-нам термодинамики.Пр.АТФ→АДФ+Фн

3.не смещают химическое равновесие

4.высокая эффективность (большая чем др.катализаторов)

5.высокая специфичность

6.действуют в мягких условиях (рН близкая к нейтральной,Т=37)

7.при гидролизе расподаются на аминокислоты.Существуют простые-пепсин,трепсин,уреаза;сложные (содержат еще и белковый компонент(кофактор)).Стрра:апофермент(полипептидная часть фермента),простетическая группа-интегральная часть фермента и с ней связывается кофактор,кофермент-дополнительная группа легко отделяемая от апофермента. При диссоциации между простетической группай и полипептидной цепью-ковалентная связь.Простетическая группа и кофермент являются переносчиками электронов водорода,NH2, СOOH. Активный центр (АЦ) –комбинация аминокислотных остатков в молекуле фермента обеспечивающих взаимодействие с молекулой субстрата.и прямое участие в акте катализа. В активном центре различают каталитический центр, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом, и связывающий центр который обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом. Аллостерический центр- участок молекулы фермента, с которым связываются определенные, обычно низкомолекулярные, вещества, молекулы которых отличаются по структуре от субстратов. Присоединение эффектора - изменяет третичную и четвертичную структуру молекулы фермента и соответственно конфигурацию активного центра. Аллостерические ферменты-активность контролируется состоянием активных,аллостерических центров;наличие в молекуле нескольких активных центров и нескольких аллостерических регуляторных центров. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ При энзиматическом катализе фермент Е соединяется со своим субстратом S, образуя нестойкий промежуточный фермент-субстратный комплекс ES, который в конце реакции распадается с освобождением фермента и продуктов реакции Р.В процессе реакции различают несколько стадий: присоединение молекулы субстрата к ферменту, преобразование первичного промежуточного соединения в один или несколько последовательных (переходных) комплексов и протекающее в одну или несколько стадий отделение конечных продуктов реакции от фермента.

В реакциях анаболизма, например А + В —> АВ, фермент может соединяться

как с одним, так и с другим субстратом или обоими субстратами:

В реакциях катаболизма, например АВ —> А + В:

Энергия активации-это энергия необхадимая для достижения активированного состояния.(тот избыток энергии которым они должны обладать чтобы вступить в реакцию.

Модель Э. Фишера «ключ-замок»:если фермент в активном центре содержит

кофермент, то предполагается образование тройного комплекса.

Модель Д. Кошленда “рука-перчатка” была разработана теория «индуцированного соответ-

ствия», допускающая высокую конформационную лабильность молекулы

белка-ферментаи гибкость и подвижность активного центра

Факторы определяющие каталитическую эффективность Ф. 1.Сближение и ориентация (Ф связывает S т.о.что атакуемая им связь находится близко от каталитической группы,S преобретает определенную ориентацию). 2.Напряжение и деформация.(присоединение S вызывает конформационные изменения фермента и деформацию S. 3.Кислотно-основной катализ. В активном центре Ф находятся аминокислотные остатки-доноры или акцепторы протонов,ускоряющих реакцию. Пр.доноры СООН,NH3,SH:акцепторы-NH2,S-,COO-. 4.Ковалентный катализ с образованием ковалентных промежуточных продуктов. Кинетика ферментативных реакций Занимается исследованием закономерностей влияния химической природы реагирующих веществ (ферментов, субстратов) и условий их взаимодействия (концентрация, рН среды, температуры, присутствие активаторов или ингибиторов) на скорость ферментативной реакции. Цель:получение информации для выяснения молекулярного механизма действия фермента. Скорость любой хим. р-ции выражает изменение концентрации субстрата(S) или продукта реакции в еденицу времени- V=ΔC/t

График влияния [S] на V р-ции.

а - реакция первого порядка (при [S] < Кm скорость реакции пропорциональна концентрации субстрата); б - реакция смешанного порядка; в - реакция нулевого порядка, когда v = Vmax и скорость реакции не зависит от концентрации субстрата

Рис. 4.12. Теоретический график за-

Для того чтобы сместить равновесие вправо надо ↑[S]

Кривая описывается уравнением Михаэлиса–Ментен, выражающее количественное

соотношение между концентрацией субстрата и скоростью ферментативной

реакции:

где v – наблюдаемая скорость реакции при данной концентрации субстрата

[ S ]; K S – константа диссоциации фермент-субстратного комплекса, моль/л;

V max – максимальная скорость реакции при полном насыщении фермента субстратом. Из уравнения Михаэлиса–Ментен следует, что при высокой концентрации субстрата и низком значении KS скорость реакции является максимальной, При низкой концентрации субстрата скорость реакции оказывается пропорциональной концентрации субстрата в каждый данный момент (реакция первого порядка).Для определения численного значения К m обычно находят ту концентрацию субстрата, при которой скорость ферментативной реакции v составляет половину от максимальной V max, т.е. если v = 1/2 V maх.

 

разделив обе части уравнения на V mах, получим

 

или К m + [ S ] = 2[ S ], откуда K m = [ S ].

Таким образом, константа Михаэлиса численно равна концентрации

субстрата (моль/л), при которой скорость данной ферментативной реакции

составляет половину от максимальной.

.

 

То

 

Или

 

то после преобразования получаем уравнение:

 

 

Уравнения Лайнуивера–Бэрка.

 

Это уравнение прямой линии: у = ах + b. Если теперь в соответствии с этим уравнением построить график в координатах 1/ v (y) от l/[ S ] (x), то получим прямую линию тангенс угла наклона который будет равен величине K m/ V max; отрезок, отсекаемый прямой от оси ординат, представляет собой l/ V max (обратная величина максимальной скорости). Если продолжить прямую линию за ось ординат, тогда на абсциссе отсекается отрезок, соответствующий обратной величине константы Михаэлиса – 1/ К m. Таким образом, величину К m можно вычислить из данных наклона прямой и длины отрезка, отсекаемого от оси ординат, или из длины отрезка, отсекаемого от оси абсцисс в области отрицательных значений.

 

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

В молекуле ДНК углевод представлен дезоксирибозой, а в молекуле РНК – рибозой, отсюда их названия: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. Кроме того, они содержат фосфорную кислоту, по два пуриновых(А,Г) и по два пиримидиновых основания(Ц,Т,У); различия только в пиримидиновых основаниях: в ДНК содержится тимин, а в РНК –урацил.

В составе нуклеиновых кислот встречаются три главных пиримидиновых основания: цитозин, урацил и тимин.

Помимо главных пиримидиновых оснований, в составе нуклеиновых кислот открыты минорные пиримидиновые основания, 5-метил- и 5-оксиметилцитозин, дигидроурацил. Два пуриновых основания, постоянно встречающихся в гидролизатах нуклеиновых кислот, имеют следующее строение:

Аденин Гуанин

К минорным нуклеозидам пуринового ряда, обнаруживаемым в составе ДНК и РНК, относятся инозин. Cвойство свободных азотистых оснований –существование в двух таутомерных формах, в частности лактим- и лактамной формах. В составе нуклеиновых кислот все оксипроизводные пуринов и пиримидинов находятся в лактамной форме.

Содержание ДНК в клетках постоянно и исчисляется несколькими пикограммами. На долю РНК приходится около 5–10% от общей массы клетки Выделяют три главных вида

РНК: матричную (информационную) – мРНК, РНК; рибосомную – рРНК, и транс-

портную – тРНК. СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Правило Э. Чаргаффа.

1) молярная доля пуринов равна молярной доле пиримидинов:

2) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:

 

3) количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина: А = Т и Г = Ц; соответственно

4) существенным для характеристики вида (таксономическое значение) оказался так называемый коэффициент специфичности, отражающий отношение

Структурными единицами нуклеиновых кислот являются мономерные молекулы – мононуклеотиды.. Это продукты полимеризации мононуклеотидов, число и последовательность расположения которых в цепях ДНК и РНК определяются в строгом соответствии с программой, заложенной в молекуле матрицы. Мононуклеотиды состоят из трех специфических компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. Соединения азотистого основания и углевода -нуклеозид. Нуклеозиды содержат пуриновое или пиримидиновое основание, соединенное с углеводом N-гликозидной связью. Мононуклеотиды, присоединяя еще один остаток фосфата, образуют фосфоангидридную связь и превращаются в нуклеозиддифосфаты (АДФ, ГДФ, УДФ, ЦДФ и ТДФ). Писоединяя еще один остаток фосфата, образуют нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ,УТФ, ЦТФ и ТТФ). Функция нуклеозидтрифосфатов - участие в биоэнергетике всех живых организмов. В организме существкет два типа фосфорных эфиров нуклеотидов:1. когда фосфат связывает 2 атома кислорода пентозного остатка в одном и том же нуклеотиде 2.когда фосфатный мостик объединяет два разных мононуклеотида. Первичная структура нуклеиновых кислот Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок, последовательностьрасположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК и РНК. Такая цепь стабилизируется 3',5'-фосфодиэфирными связями. К настоящему времени удалось определить первичную структуру почти всех тРНК, ряда молекул 5S рРНК, 16S рРНК E.coli, вирусных РНК, в состав которых входят сотни и тысячи нуклеотидных остатков. Все клеточные РНК в основном состоят из одноцепочечной полинуклеотидной цепи: 5'-Г–У–Г–Ц–А–А–...–У–Ц–Г–Ц–Ц–А–3' Полинуклеотидная цепь молекулы РНК имеет на одном конце свободный монофосфорный эфир,на противоположном конце цепи такой фосфат отсутствует, а содержится нуклеотид со свободными 2'- и 3'-гидроксильными группами. О первичной структуре ДНК судят по распределению минорных оснований и обнаружению в ДНК и определению последовательности палиндромов. Вторичная структура нуклеиновых кислот В соответствии с моделью Дж. Уотсона и Ф. Крика, предложенной в 1953 г. молекула ДНК состоит из двух цепей, образуя правовращающую спираль, в которую обе полинуклеотидные цепи закручены вокруг одной и той же оси. Удерживаются цепи благодаря водородным связям, образующимся между их азотистыми основаниями. Обе цепи поли нуклеотидов в биспиральной молекуле ДНК имеют строго определенное пространственное расположение, при котором азотистые основания находятся внутри, а фосфорильные и углеводные компоненты – снаружи. В биспиральной молекуле ДНК основания уложены парами: пурин из одной цепи и пиримидин из другой в соответствии с правилами Чаргаффа (пары аденин–тимин и гуанин–цитозин). Избирательность взаимодействия пар А–Т и Г–Ц принято выражать термином «комплементарность», а соответствующие азотистые основания называют комплементарными. Стабильность А–Т оснований обеспечивается двумя водородными связями, а пар Г–Ц – тремя. Обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную полярность. Конфигурация двойной спирали ДНК сильно меняется в зависимости от количественного содержания воды и ионной силы окружающей среды. Существовует 6 форм ДНК, названных А-, В-, С-, D-, Е- и Z-формами. Третичная структура нуклеиновых кислот Двойная спираль ДНК на

некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы Суперспиральная структура обеспечивает экономную упаковкуогромной молекулы ДНК в хромосоме. Суперспирализация ДНК может быть нарушена разрывом в одной из цепей или в обеих цепях двойной спирали под действием ДНКазы или при обработке интеркалирующими соединениями. Нативные молекулы тРНК имеют примерно одинаковую третичную структуру, которая отличается от плоской структуры «клеверного листа» большой компактностью за счет складывания различных частей молекулы. Биосинтез нуклеиновых кислот Репликации-образование дочерних молекул ДНК, первичная структура которых идентична родительской ДНК (копирование ДНК). Репликация ДНК является ключевой функцией делящейся клетки и частью таких биологических процессов, как рекомбинация, транспозиция и репарация

В репликации ДНК выделяют: 1. узнавание точки начала процесса2. расплетение родительских цепей ДНК в репликационной вилке 3. инициацию биосинтеза дочерних цепей 4.элонгацию 5.окончание (терминация).Участвует более 40 ферментов и белковых факторов, объединенных в единую ДНК-репликазную систему, называемую реплисомой. В стадии инициации ферментом является РНК-полимераза(праймаза), которая катализирует синтез праймера, с которого начинается синтез ДНК. Основным ферментоми в стадии элонгации является ДНК-полимераза III, ДНК-полимеразы I, ДНК-полимеразы II. Фермент – ДНК-лигаза, катализирующая за счет энергии АТФ. Функцию раскручивания (расплетения) двойной спирали ДНК в репликационной вилке, происходящего за счет энергии гидролиза АТФ, выполняет специфический rep-белок, названный хеликазой. Образовавшиеся на определенное время одноцепочечные участки ДНК служат в качестве матрицы при репликации и стабилизируются при помощи особых белков, связывающихся с одноцепочечной ДНК (ДНК-связывающие белки) и препятствующих обратному комплементарному взаимодействию цепей. Имеются, кроме того, особые ферменты топоизомеразы, обеспечивают как репликацию, так и транскрипцию ДНК. В репликации ДНК эукариот участвуют два главных типа полимераз – α и δ.ДНК-полимераза δ состоит из 2 субъединиц Этапы биосинтеза ДНК. Механизм синтеза ДНК у Е. coli может быть подразделен на три

этапа; инициацию, т.е. начало, элонгацию, т.е. продолжение, и терминацию, т.е. завершение (прекращение) синтеза. Каждый из этих этапов требует участия специфических ферментов и белковых факторов. Этап I – инициация биосинтеза ДНК – является началом синтеза дочерних нуклеотидных цепей; в инициации участвует минимум восемь хорошо изученных и разных ферментов и белков. Первая фаза – это, как указано ранее, ферментативный биосинтез на матрице ДНК необычного затравочного олигорибонуклеотида (праймера) со свободной гидроксильной группой у С-3' рибозы. При инициации к цепям ДНК последовательно присоединяются ДНК-раскручивающие и ДНК-связывающие белки, а затем комплексы ДНК-полимераз и праймаз. Этап II – элонгация синтеза ДНК – включает два кажущихся одинаковыми, но резко различающихся по механизму синтеза лидирующей и отстающей цепей на обеих материнских цепях ДНК. Синтез лидирующей цепи начинается с синтеза праймера (при участии праймазы) у точки начала репликации, затем к праймеру присоединяются дезоксирибонуклеотиды под действием ДНК-полимеразы III; далее синтез протекает непрерывно, следуя шагу репликационной вилки. Синтез отстающей цепи, напротив, протекает в направлении, обратном движению репликационной вилки и начинается фрагментарно. Фрагменты всякий раз синтезируются раздельно, начиная с синтеза праймера, который может переноситься с готового фрагмента при помощи одного из белковых факторов репликации в точку старта биосинтеза последующего фрагмента противоположно направлению синтеза фрагментов. Элонгация завершается отделением олигорибонуклеотидных праймеров, объединением отдельных фрагментов ДНК при помощи ДНК-лигаз и формированием дочерней цепи ДНК Этап III – терминация синтеза ДНК – наступает, скорее всего, когда исчерпана ДНК-матрица и трансферазные реакции прекращаются. Точность репликации ДНК чрезвычайно высока, возможна одна ошибка на 1010 трансферазных реакций, однако подобная ошибка обычно легко исправляется за счет процессов репарации. Выдающимся достижением биохимии нуклеиновых кислот является открытие в составе онковирусов фермента обратной транскриптазы, или ревертазы (РНК-зависимая ДНК-полимераза), катализирующего биосинтез молекулы ДНК на матрице РНК.Типы репликации:1.Консервативный.Новая молекула ДНК не содержит материнских нитей. 2.Полуконсервативный..Новая молекула ДНК содержит одну часть материнской и одну часть синтезируемой. 3.Дисперсивный.Материал исходной молекулы случайно распределяется в дочерних.

 

Транскрипция

– биосинтез матричных РНК на молекуле ДНК, и процесс трансляции – биосинтез белка на мРНК. В синтезе участвует фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза которая осуществляет синтез от 5′к 3′ концу.На молекуле ДНК выделяют следующие элементы:промотор(участок в котором начинается транскрипция),транскриптон(участок в котором происходит транскрипция),терминатор (участок в котором завершается транскрипция). У эукариот в составе транскриптона обнаружен 1ген,у прокариот-несколько.Транскриптон у прокариот называется оперонам. Этапы транскрипции: 1.Инициация.Взаимодействие фермента РНК-полимеразы и ДНК приводит к образованию двойного закрытого комплекса,затем двойного открытого комплекса после расщепления ДНК.Затем образуется тройной открытый комплекс за счет фосфолипидных связей. 2.Элонгация.РНК-полимераза прочитывает информацию с транскриптона слева направо пока не достигнет терминирующего участка. 3.Терминация.РНК-полимераза покидает тройной открытый комплекс с образованием молекулы ДНК,РНК а сама катализирует следующую реакцию: nНТФ→(НМФ)n+ФФн РНК-полимераза у Е. coli состоит из двух одинаковых α-субъединиц, двух разных β (β1 и β2)-субъединиц, ω-субъединицы и σ-субъединицы. Последняя обеспечивает узнавание промотора для синтеза РНК. У эукариот открыты три разные РНК-полимеразы (I, II и III). РНК-полимераза I ответственна за синтез только рибосомных РНК (5,8S, 18S и 28S рРНК;. РНК-полимераза II – основной фермент, катализирующий синтез матричной РНК (мРНК). РНК-полимераза III катализирует преимущественно синтез транспортных РНК (тРНК), а также 5S рРНК инженерии. рРНК Как известно, живые организмы в зависимости от структуры клеток делятся на две группы – прокариоты и эукариоты. Первые не содержат ограниченного мембраной ядра и митохондрий или хлоропластов; они представлены главным образом микроорганизмами. Клетки эукариот животных и растений, включая грибы, напротив, содержат ядра с мембранами,а также митохондрии (в ряде случаев и хлоропласты) и другие субклеточные органеллы. Химически рибосомы представляют собой нуклеопротеины, состоящие из РНК и белков, причем 80S (коэффициент седиментации при центрифугировании) рибосомы эукариот содержат примерно равное их количество, а у 70S рибосом прокариот соотношение РНК и белка составляет 65% и 35% соответственно. РНК рибосом принято называть рибосомными и обозначать рРНК. Как 80S, так и 70S рибосомы состоят из двух субчастиц. При этих условиях рибосомы диссоциируют на субчастицы; последние могут быть отделены друг от друга методом ультрацентрифугирования. Одна из субчастиц по размерам в 2 раза превышает вторую. Так, у 70S рибосом величины s для субчастиц равны 50S и 30S, у 80S рибосом – соответственно 60S и 40S. РНК 23S и 5S содержат 3200 и 120 нуклеотидов соответственно, a 16S РНК – 1540 нуклеотидов. Субчастицы рибосом клеток эукариот построены более сложно. В их составе четыре разные рРНК и более 70 разных белков в обеих субчастицах. При этом большая субчастица (60S) содержит три разного размера рРНК: 28S, 5,8S и 5S. Малая субчастица (40S) содержит всего одну молекулу 18S рРНК и около 33 белков. рРНК образуется из общего предшественника всех типов клеточных РНК, в свою очередь синтезирующегося на матрице ДНК в ядре. Рибосомные белки имеют цитоплазматическое происхождение, затем они транспортируются в ядрышки, где и происходит спонтанное образование рибосомных субчастиц путем объединения белков с соответствующими рРНК. Объединенные субчастицы вместе или врозь транспортируются через поры ядерной мембраны обратно в цитоплазму, где группа рибосом вместе с мРНК образует полисомы или полирибосомы, принимающие непосредственное участие в синтезе белка. Транспортные РНК К настоящему времени открыто более 60 различных тРНК. Для каждой аминокислоты в клетке имеется по крайней мере одна специфическая тРНК. В молекуле тРНК открыты спирализованные участки, необычные водородные связи и гидрофобные взаимодействия во внеспирализованных участках. Показано, что тРНК имеет псевдоуридиловую петлю, образованную из нуклеотидов, содержащих псевдоуридин (ТψС), и дигидроуридиловую петлю. Обе петли участвуют в образовании угла буквы L. На 3'-ОН-конце распо лагается одинаковая для всех тРНК последовательность триплета ЦЦАОН, к которой присоединяется посредством эфирной связи специфическая аминокислота. Связывание в основном происходит через 3'-ОН-группу концевого аденилового нуклеотида, хотя, как было указано, получены доказательства возможности предварительного присоединения аминокислоты и через его 2'-ОН-группу.В частности,псевдоуридиловая петля, по-видимому, обеспечивает связывание аминоацил-тРНК с рибосомой, а дигидроуридиловая петля, вероятнее всего,необходима как сайт (место) для узнавания специфическим ферментом –аминоацил-тРНК-синтетазой. Имеется, кроме того, добавочная петля,состав которой варьирует у разных типов молекул тРНК; ее назначение неизвестно. Существенным, с полностью раскрытой функцией участком является антикодоновая петля, несущая триплет, названный антикодоном, и расположенная на противоположной стороне от того конца, к которому присоединяется аминокислота. Антикодоновая петля состоит из 7 нуклеотидов: три занимают центральное положение и формируют собственный высокоспецифичный антикодон, по два нуклеотида расположены по обе стороны от него, включая модифицированный пурин и варьирующее основание с одной стороны и два пиримидиновых основания – с другой стороны. Антикодон является специфичным и комплементарным к соответствующему кодону мРНК, причем оба они антипараллельны в своей комплементарности. Матричная РНК Роль матричной РНК (мРНК), потому что ее роль заключается в переносе информации от ДНК в ядре (где она синтезируется под действием ДНК-зависимой РНК-полимеразы) до цитоплазмы, где она соединяется с рибосомами и служит матрицей, на которой осуществляется синтез белка. При изучении влияния различных фракций клеточной РНК на способность рибосом, выделенных из Е. coli, к синтезу белка было установлено, что некоторые из них стимулировали включение 14С-аминокислот в синтезируемый полипептид. Последовательность нуклеотидов РНК реализуется в специфической последовательности аминокислот синтезируемой полипептидной цепи. Не рибосома и не рибосомная рРНК являются матрицей, на которой синтезируются специфические белки, а эту роль выполняют поступающие извне матричные РНК. Итак, ДНК передает информацию на РНК, которая синтезируется в ядре и затем поступает в цитоплазму; здесь РНК выполняет матричную функцию для синтеза специфической белковой молекулы. Матричная гипотеза белка, как и других полимерных молекул ДНК и РНК (см. ранее), в настоящее время получила подтверждение. Ее правомочность была доказана в экспериментах, которые обеспечивали точное воспроизведение первичной структуры полимерных молекул синтез в отличие от малоуправляемого химического синтеза отличался не только высокой скоростью и специфичностью, но и направленностью самого процесса в строгом соответствии с программой, записанной в линейной последовательности молекулы матрицы.

 

ЭТАПЫ СИНТЕЗА БЕЛКА

Синтез белка представляет собой циклический энергозависимый многоступенчатый процесс,состоящий из 5 стадий синтеза, из которых 3 стадии (инициация, элонгация и терминациясчитаются главными и основными, а 2 стадии (активация аминокислот и постсинтетический процессинг) рассматриваются в качестве дополнительных, вспомогательных стадий синтеза. Активация свободных аминокислот осуществляется при помощи специфических ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз – в присутствии АТФ. Этот процесс протекает в две стадии: Обе стадии катализируются одним и тем же ферментом. На I стадии аминокислота вступает в реакцию с АТФ, при этом освобождается пирофосфат и образуется промежуточный продукт, который на II стадии реагирует с соответствующей 3'-ОН-тРНК, в результате чего образуется аминоацил-тРНК и освобождается АМФ. Аминоацил-тРНК располагает необходимым запасом энергии и имеет следующее строение. Инициация трансляции. Требует соблюдения ряда условий, в частности наличия в системе, помимо 70S (или 80S) рибосом, инициаторной аминоацил-тРНК, инициирующих кодонов в составе мРНК и белковых факторов инициации. Синтез белка инициирует единственная аминокислота – метионин. Если эти триплеты являются обычными, каждый из них кодирует свою аминокислоту: АУГ кодирует метионин, а ГУГ – валин. К настоящему времени выяснена природа белковых факторов иниЦиации: у Е. coli открыты три фактора- IF-1, IF-2, IF-3. IF-3 обеспечивает узнавание участка на молекуле мРНК, к которому присоединяется формилметионил-тРНК. IF-1 способствует связыванию инициаторной формилметионил-тРНК с комплексом 30S субчастицы и мРНК. Белковый фактор IF-2способствует объединению 30S и 50S субчастиц. Сначала образуется инициаторный комплекс путем присоединения белковых факторов, формилметионил-тРНК и ГТФ к 30S субчастице, к которой комплементарно антикодону формилметионил-тРНК присоединяется мРНК при участии кодона АУГ. Процесс элонгации связан с большой субчастицей (50S) рибосомы, содержащей два центра для связывания тРНК: один из них называется аминоацильным (А), другой – пептидильным (П). В процессе элонгации у Е. coli также участвует три белковых фактора – EF-Tu, EF-Ts и EF-G. Процесс элонгации принято делить на 3 стадии: узнавание кодона и связывание аминоацил-тРНК, образование пептидной связи и транслокация. На I стадии в свободный А-участок рибосомы доставляется аминоацил-тРНК при участии фактора элонгации Tu. Образовавшийся комплекс подвергается диссоциации только в присутствии второго фактора элонгации Ts. II стадия элонгации – образование первой пептидной связи. Осуществляется ферментативная реакция транспептидирования между формилметионил-тРНК в П-центре и новой аа-тРНК в А-центре. В процессе транспептидазной реакции в А-центре образуется дипептидил-тРНК, а П-центр остается свободным. На III стадии необходимо иметь свободный аминоацильный центр для присоединения следующей аа-тРНК. Для этого благодаря процессу транслокации образовавшийся фрагмент дипептидил-тРНК переносится от аминоацильного на пептидильный центр. На стадии элонгации происходит последовательное наращивание полипептидной цепи по одной аминокислоте в строгом соответствии с последовательностью триплетов в молекуле мРНК. Терминация трансляции. Завершается синтез полипептидной цепи в 70S рибосоме при участии трех белковых факторов терминации. После того как терминирующий кодон мРНК занимает свое место в аминоацильном центре рибосомы, к нему присоединяется не тРНК, поскольку отсутствуют соответствующие антикодоны тРНК, узнающие этот терминальный сигнал, а один из белковых факторов терминации и блокируется далнейшая элонгация цепи.Происходит отделение белковой молекулы от рибосомы и освобождение молекул тРНК и мРНК и рибосома диссоциирует на две субчастицы – 30S и 50S. ПОСТСИНТЕТИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ Линейная одномерная полипептидная цепь называется конформационной, т.е. она претерпевает не хаотичные структурные изменения, а подвергается превращению (процессингу). Функциональная активность проявляется позже в результате разнообразных превращений, объединенных понятием «постсинтетическая, или посттрансляционная, модификациия». Подобные модификации структуры полипептида начинаются или сразу послетрансляции, или еще до окончания формирования третичной структуры белковой молекулы. Помимо указанного процесса протеолитического удаления сигнального пептида, во многих белках отщепляется начальный N-концевой метионин. Участок ДНК, несущий информацию о синтезе индивидуального белка, называется геном, а участок, контролирующий синтез единственной полипептидной цепи и ответственный за него,– цистроном. Если белок состоит из нескольких поли пептидов, то в синтезе такого белка должны участвовать несколько цистронов. Подобный белок может синтезироваться в виде единственной полипептидной цепи с последующими протеолитическими разрывами в одном или нескольких местах и отщеплением неактивных участков. Типичным примером подобной модификации является гормон инсулин, синтезирующийся в виде единого полипептида препроинсулина, который после ферментативного гидролиза превращается сначала в неактивный предшественник проинсулин, а затем в активный гормон инсулин, содержащий две разных размеров и последовательности полипептидные цепи.

Посттрансляционная химическая модификация белков, затрагивающая радикалы отдельных аминокислот. Одной из модификаций является ковалентное присоединение простетической группы к молекуле белкаНекоторые белки подвергаются гликозилированию, присоединяя олигосахаридные, и обеспечивают доставку белков к клеткам-мишеням. Широко представлены химические модификации белков в результате реакции гидроксилирования остатков пролина, лизина, реакции метилирования, ацетилирования ряда N-концевых аминокислот, реакции карбоксилирования остатков глутамата и аспартата ряда белков Одной из широко распространенных химических постсинтетических модификаций является фосфорилирование остатков серина и треонина, например, в молекуле гистоновых и негистоновых белков, а также казеина молока.Главными источниками белков для человека являются пищевые продукты животного и растительного происхождения. Примерно 95–97% белков пищи всасывается в виде свободных аминокислот. Ферментный аппарат пищеварительного тракта осуществляет поэтапное, избирательное расщепление пептидных связей белковой молекулы вплоть до

конечных продуктов– свободных аминокислот. Гидролиз заключается в разрыве пептидных связей —СО—NH— белковой молекулы. Протеолитические ферменты (протеиназы) обладают широкой специфичностью.

Известны две группы пептидаз: экзопептидазы, катализирующие разрыв концевой пептидной связи с освобождением одной какой-либо концевой аминокислоты, и эндопептидазы, преимущественно гидролизующие пептидные связи внутри полипептидной цепи. Эндопептидазы: Пепсин вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка в неактивной форме – в виде пепсиногена. Превращение пепсиногена в активный пепсин происходит в желудочном содержимом этот процесс является последовательным и протекает в несколько этапов в присутствии соляной кислоты по механизму аутокаталитического действия самого пепсина. Пепсин отличается высокой устойчивостью в сильнокислой среде и характеризуется низким значением изоэлектрической точки. Превращение трипсиногена в трипсин катализируют не только энтеропептидаза и сам трипсин, но и другие протеиназы и ионы Са2+. Активирование трипсиногена химически выражается в отщеплении с N-конца полипептидной цепи 6 аминокислотных остатков. Химотрипсин. В поджелудочной железе синтезируется из двух предшественников – химотрипсиногена А и химотрипсиногена В. В поджелудочной железе синтезируется еще одна эндопептидаза – эластаза – в виде проэластазы. Превращение профермента в эластазу в тонкой кишке катализируется трипсином. Эластаза обладает широкой субстратной специфичностью, но предпочтительнее гидролизует пептидные связи, образованные аминокислотами с небольшими гидрофобными радикалами, в частности глицином, аланином и серином. Экзопептидазы. В переваривании белков в тонкой кишке активное участие принимает семейство экзопептидаз. Одни из них – карбоксипептидазы – синтезируются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы и активируются трипсином в кишечнике; другие – аминопептидазы –секретируются в клетках слизистой оболочки кишечника и также активируются трипсином. Карбоксипептидазы. Карбоксипептидазы – А и В, (катализирующие отщепление от полипептида С-концевых аминокислот). Карбоксипептидаза А разрывает преимущественно пептидные связи, образованные концевыми ароматическими аминокислотами, а карбоксипептидаза В – связи, в образовании которых участвуют С-концевые лизин и аргинин. Аминопептидазы. Аланинаминопептидаза, катализирующая преимущественно гидролиз пептидной связи, в образовании которой участвует N-концевой аланин, и лейцинаминопептидаза, не обладающая строгой субстратной специфичностью и гидролизующая пептидные связи, образованные любой N-концевой аминокислотой. Они осуществляют ступенчатое отщепление аминокислот от N-конца полипептидной цепи. Дипептидазы. Среди дипептидаз кишечного сока глицилглицин-дипептидаза, гидролизующая соответствующий дипептид до двух молекул глицина. Известны также две другие дипептидазы: пролил-дипептидаза, катализирующая гидролиз пептидной связи, в образовании которой участвует СООН-группа пролина, и пролин-дипептидаза, гидролизующая дипептиды, в которых азот пролина связан кислотно-амидной связью. Переваривание белков в желудке Условия для переваривания белков:1.в желудочном соке содержится активный фермент пепсин. 2. наличие в желудочном соке свободной соляной кислоты (оптимальная среда для действия пепсина),(рН 1,5–2,5). Роль соляной кислоты в переваривании белков: 1.переводит неактивный пепсиноген в активный пепсин2. создает оптимальную среду для действия пепсина;3. происходят набухание белков, частичная денатурация и, возможно, гидролиз сложных белков. 4.стимулирует выработку секретина в двенадцатиперстной кишке, 5.ускоряет всасывание железа 6. оказывает бактерицидное действие. Пепсин расщепляет практически все природные белки Переваривание белков в кишечнике В тонкой кишке на белки действуют ферменты панкреатического и кишечного соков. Благодаря гидролитическому действию на белки всех трех эндопептидаз (пепсин, трипсин, химотрипсин) образуются различной длины пептиды и некоторое количество свободных аминокислот. Дальнейший гидролиз пептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы ферментов – пептидаз. При этом образуются свободные аминокислоты, которые затем всасываются. Всасывание продуктов гидролиза белков идет в ЖКТ в виде свободных АК вместе с ионами натрия. Судьба всосавшихся аминокислот АК→углеводы,липиды,пептиды,гем,гемоглобин,цитохромы,ферменты,гормоны,антитела,НАД,аммиак,мочевина. Транспорт аминокислот. Главную роль в этом процессе играет мембранно связанный гликопротеин – фермент γ-глутамилтрансфераза, которая катализирует перенос γ-глутамильной группы от глутатиона или другого γ-глутамильного пептида на транспортируемую аминокислоту. Комплекс γ-глутамил–аминокислота после переноса через биомембрану распадается внутри клетки под действием γ-глутамилциклотрансферазы на свободную аминокислоту и 5-оксопролин, образование которого почти целиком сдвигает реакцию расщепления комплекса вправо. Всасавшиеся АК поступают в портальный кровоток→Печень→Общий кровоток. Благодаря возможности ресинтеза глутатиона, требующего затраты энергии АТФ, цикл может повторяться многократно, транспортируя значительные количества аминокислот. Общие пути обмена аминокислот Общие пути превращения аминокислот включают реакции: 1) дезаминиование, 1)Доказано существование 4 типов дезаминирования аминокислот

Ферменты в данных реакциях малоактивны и строго специфичны.Единственный фермент с повышенной активностью-глутаматдегидрогенаа(печень,мозг), катализирует анаэробную фазу дегидрирования глутаминовой кислоты с образованием промежуточного продукта – иминоглутаровой кислоты и спонтанный гидролиз последней на аммиак и α-кетоглутаровую кислоту. 2)трансаминирование. Сущность его сводится к восстановительному аминированию α-кетоглутаровой кислоты с образованием глутаминовой кислоты (реакцию катализирует НАДФ-зависимая глутаматдегидрогеназа) и к последующему трансаминированию глутамата с любой α-кетокислотой. В результате образуется L-аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте, и вновь освобождается α-кетоглутаровая кислота, которая может акцептировать новую молекулу аммиака. 3)декарбоксилирование. 3) Процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СО2 получил название декарбоксилирования. В живых организмах открыты 4 типа декарбоксилирования аминокислот: 1. α-Декарбоксилирование, характерное для тканей животных, при котором от аминокислот отщепляется карбоксильная группа, стоящая по соседству с α-углеродным атомом. Продуктами реакции являются СО2 и биогенные амины:

2. ω-Декарбоксилирование, свойственное микроорганизмам. Например, из аспарагиновой кислоты этим путем образуется α-аланин:

 

3. Декарбоксилирование, связанное с реакцией трансаминирования: В этой реакции образуются альдегид и новая аминокислота, соооветствующая исходной кетокислоте.

4. Декарбоксилирование, связанное с реакцией конденсации двух молекул:

 

МОНОСАХАРИДЫ

Моносахариды можно рассматривать как производные многоатомных спиртов, содержащие карбонильную (альдегидную или кетонную) группу. Если

карбонильная группа находится в конце цепи, то моносахарид представляет собой альдегид и называется альдозой; при любом другом положении этой группы моносахарид является кетоном и называется кетозой. Простейшие представители моносахаридов – триозы: глицеральдегид и диоксиацетон.

Все моносахариды содержат асимметричные атомы углерода: альдотриозы – один центр асимметрии, альдотетразы – 2, альдопентозы – 3, альдогексозы – 4 и т.д. Кетозы содержат на один асимметричный атом меньше, чем альдозы с тем же числом углеродных атомовВсе остальные моносахариды могут существовать в виде различных стереоизомеров. Общее число стереоизомеров для любого моносахарида выражается формулой N = 2ⁿⁿ, где N – число стереоизомеров, а n – число асимметричных атомов углерода. Изомер глицеральдегида, у которого при проекции модели на плоскость ОН-группа у асимметричного атома углерода расположена с правой стороны, принято считать D-глицеральдегидом, а зеркальное отражение –L-глицеральдегидом:

Альдогексозы содержат четыре асимметричных атома углерода и могут существовать в виде 16 стереоизомеров (24), представителем которых является, например, глюкоза. Все изомеры моносахаридов подразделяются на D- и L-формы (D-и L-конфигурация) по сходству расположения групп атомов у последнего центра асимметрии с расположением групп у D- и L-глицеральдегида. Известно, что природные моносахариды обладают оптической активностью. Способность вращать плоскость поляризованного луча света –одна из важнейших особенностей веществ,молекулы которых имеют асимметричный атом углерода или асимметричны в целом. Свойство вращать плоскость поляризованного луча вправо обозначают знаком плюс (+), а в противоположную сторону – знаком минус (–).

Пр.

глюкоза

Дезоксисахара. Пример- дезоксирибоза,

входящая в состав нуклеиновых кислот (ДНК): Аминосахара- производные моносахаридов, гидроксильная группа которых —ОН замещена аминогруппой —NH2. В зависимости от положения аминогруппы: 2-амино-, 3-амино- и 4-аминосахара и т.д. По числу аминогрупп выделяют моноаминосахара и диаминосахара.

Реакции полуацетального гидроксила.

:а)Метилирование-

Б)ацилирование-

Реакции с участием карбонильной группы-

А)Окисление моносахаридов:альдегидная группа в положении С-1 превращается в карбоксильную с обр-ем альдоновых к-т.Пр.D-глюкоза превращается в D-глюконовую к-ту. Б)Восстановление моносахаридов:гидрирование по связи C-O c образованием многоатомных спиртов.Пр.D-глюкоза превращается в сорбит. Гетерогликаны. Важнейшие представители гетерополисахаридов в органах и тканях животных и человека – гликозаминогликаны (мукополисахариды). Они состоят из цепей сложных углеводов, содержащих аминосахара и уроновые кислоты. Различают шесть основных классов гликозаминогликанов.

Все гликозаминогликаны, за исключением гиалуроновой кислоты, содержат остатки моносахаридов с О- или N-сульфатной группой. Гликозаминогликаны значительно различаются по размерам.. Гликозаминогликаны как основное скрепляющее вещество связаны со структурными компонентами костей и соединительной ткани. Функция состоит также в удержании большой

массы воды и в заполнении межклеточного пространства. Гликозаминогликаны – основной компонент внеклеточного вещества – желатинообразного вещества,заполняющего межклеточное пространство тканей. Они также содержатся в больших количествах в синовиальной жидкости – это вязкий материал, окружающий суставы, который служит смазкой и амортизатором. Поскольку водные растворы гликозаминогликанов гелеобразны, их называют мукополисахаридами. Наконец, если цепи гликозаминогликана присоединены к белковой молекуле, соответствующее соединение называют протеогликаном.

Протеогликаны образуют основное вещество внеклеточного матрикса.

ПОЛИСАХАРИДЫ

Полисахариды – высокомолекулярные продукты поликонденсации моносахаридов, связанных друг с другом гликозидными связями и образующих линейные или разветвленные цепи. В качестве компонентов полисахаридов могут быть D-глюкоза, D-манноза, D- и L-галактоза, D-ксилоза.С точки зрения общих принципов строения, полисахариды можно разделить на 2 группы: гомополисахариды, состоящие из моносахаридных единиц только одного типа, и гетерополисахариды, для которых харак-

терно наличие двух и более типов мономерных звеньев. Гомополисахариды две группы: структурные (целлюлоза) и резервные(гликоген и крахмал) полисахариды. Крахмал содержится в листьях, но главным образом накапливается в семенах (зерна злаков,), в луковицах, клубнях. рахмал представляет собой смесь 2 гомополисахаридов: линейного – амилозы и разветвленного – амилопектина, общая формула которых

(С6Н10О5)n. Полисахариды крахмала построены из остатков D-глюкозы, соединенных в амилозе и линейных цепях амило-

пектина α-1–>4-связями, а в точках ветвления амилопектина – межцепо-

чечными α-1–>6-связями:

Гликоген – главный резервный полисахарид высших животных и че-

ловека, построенный из остатков D-глюкозы. Эмпирическая формула - (С6Н10О5)n. Гликоген содержится практически во всех органах и тканях животных и человека(много в печени и мышцах). Молекулярная масса гликогена 105–108 Да. Его молекула построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в которых остатки глюкозы соединены α-1–>4-гликозидными связями. В точках ветвления имеются α-1–>6-гликозидные связи. По строению гликоген близок к амилопектину. При гидролизе расщепляется с образованием сначала декстринов, затем мальтозы и, наконец, глюкозы. Хитин – важный структурный полисахарид беспозвоночных животных (главным образом членистоногих). Из него, в частности, построен на-

ружный скелет ракообразных и насекомых. Целлюлоза (клетчатка) – наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира. Он состоит из α-глюкозных остатков в их β-пиранозной форме, т.е. в молекуле целлюлозы β-глюко- пиранозные мономерные единицы линейно соединены между собой

β-(1–>4)-связями:

:

В кишечнике жвачных и других травоядных животных имеются микроорганизмы, способные к ферментативному расщеплению β-связей (β-глюкозидных связей Целлюлозы используется для изготовления хлопчатобумажных тканей и бумаги.

 

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ

Метаболизм (обмен) углеводов в организме человека состоит в основном из следующих процессов: 1. Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей по-

лисахаридов и дисахаридов до моносахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь. 2. Синтез и распад гликогена в тканях, прежде всего в печени. 3. Гликолиз. Понятие «гликолиз» означает расщепление глюкозы. Первоначально этим термином обозначали только анаэробное брожение, за-

вершающееся образованием молочной кислоты (лактата) или этанола и СО2. В настоящее время понятие «гликолиз» используется более широко для описания распада глюкозы, проходящего через образование глюкозо-6-фосфата, фруктозобисфосфата и пирувата как в отсутствие, так

и в присутствии кислорода. В последнем случае употребляют термин «аэробный гликолиз» в отличие от «анаэробного гликолиза», завершающегося образованием молочной кислоты (лактата). 4. Аэробный путь прямого окисления глюкозы или, как его называют, пентозофосфатный путь (пентозный цикл). 5. Взаимопревращение гексоз.

6. Аэробный метаболизм пирувата. Этот процесс выходит за рамки углеводного обмена, однако может рассматриваться как завершающая его стадия: окисление продукта гликолиза – пирувата. 7. Глюконеогенез, или образование углеводов из неуглеводных продуктов. Такими продуктами являются в первую очередь пировиноградная и молочная кислоты, глицерин, аминокислоты и ряд других соединений. ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ Расщепление крахмала (и гликогена) начинается в полости рта под действием амилазы слюны.

Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих сложные углеводы. В желудке действие α-амилазы слюны прекращается, так как желудочное содержимое имеет резко кислую реакцию (рН 1,5–2,5). Наиболее важная фаза распада крахмала (и гликогена) протекает в двенадцатиперстной кишке под действием α-амилазы поджелудочного сока. Этот фермент завершает превращение крахмала и гликогена в мальтозу, начатое амилазой слюны Образующаяся мальтоза гидролизуется под влиянием фермента мальтазы на 2 молекулы глюкозы. Лактоза, которая содержится только в молоке, под действием лактазы кишечного сока расщепляется на глюкозу и галактозу. В конце концов углеводы пищи распадаются на составляющие их моносахариды (преиму-

щественно глюкоза, фруктоза и галактоза), которые всасываются кишечной стенкой и затем попадают в кровь. Мальтоза, сахароза и лактоза могут гидролизоваться в гликокаликсе. Такое переваривание получило название пристеночного. Более 90% всосавшихся моносахаридов через капилляры кишечных ворсинок попадает в кровеносную систему и с током крови через воротную вену доставляется прежде всего в печень. Остальное количество моносахаридов поступает по лимфатическим путям в венозную систему. В печени значительная часть всосавшейся глюкозы превращается в гликоген. СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА Гликоген – главная форма запасания углеводов у животных и человека. Накапливается в печении в скелетных мышцах Синтез и распад гликогена регулируют содержание глюкозы в крови и создают резерв глюкозы для интенсивной мышечной работы. Синтез гликогена (гликогенез) Прежде всего глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы, а в печени – и глюкокиназы. Далее глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат. Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез гликогена. На первой стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает вовзаимодействие с УТФ (уридинтрифосфат), образуя уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкоза) и пирофосфат. Данная реакция катализируется ферментом глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой (УДФГ-пирофосфорилаза): На второй стадии – стадии образования гликогена – происходит перенос глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена. При этом образуется α-(1–>4)- связь между первым атомом углерода добавляемого остатка глюкозы и 4-гидроксильной группой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой. Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ,

и таким образом весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.

Фосфорилазы переводят гликоген из

запасной формы в метаболически активную форму и он распадается с образованием глюкозо-1- фосфата.Образовавшийся в результате фосфоролитического распада гликогена глюкозо-1-фосфат превращается под действием фосфоглюкомутазы в

глюкозо-6-фосфат. Образование свободной глюкозы из глюкозо-6-фосфата в печени происходит под влиянием глюкозо-6-фосфатазы. Можно считать, что сохранение постоянства концентрации глюкозы в крови является результатом одновременного протекания двух процессов: поступления глюкозы в кровь из печени и потребления ее из крови тканями, где она используется в первую очередь как энергетический материал. В тканях (в том числе в печени) распад глюкозы происходит двумя основными путями: анаэробным (при отсутствии кислорода) и аэробным, для осуществления которого необходим кислород.

ГЛИКОЛИЗ Гликолиз (от греч. glycys – сладкий и lysis – растворение, распад) – это последовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТФ. Анаэробный гликолиз – сложный ферментативный процесс распада глю-

козы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кисло-

рода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В про-

цессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:С6Н12О6 + 2АДФ + 2ФН –> 2СН3СН(ОН)СООН + 2АТФ + 2Н2О.В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в жи