Лекции по биохимии тверь,2012 1 модуль. Строение и свойства белков и ферментов Вводная лекция
 Скачать 0.64 Mb.
|
|
Особенности обмена заменимых дикарбоновых аминокислот аспартата и глутамата. Дикарбоновые аминокислоты образуются из оксалоацетата и -кетоглутарата путем восстановительного аминирования, трансаминирования. Они играют важную роль в интеграции азотистого обмена, участвуя в: - непрямом дезаминировании (трансдезаминировании ) и трансреаминировании аминокислот; - восстановительном аминировании (биосинтезе заменимых аминокислот); - обезвреживании аммиака в ЦНС (образование амидов дикарбоновых аминокислот); - биосинтезе мочевины; - биосинтезе пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований (биосинтезе макроэргов, коферментов, ДНК, РНК); - биосинтезе белков, углеводов; - биосинтезе глутатиона из глутаминовой кислоты; Катаболизм дикарбоновых аминокислот до СО2 и Н2О ведет к освобождению энергии и образованию АТФ. Особенности обмена заменимых аминокислот серина и глицина. Серин и глицин образуются из глюкозы. Серин образуется из 3-фосфоглицерата - промежуточного продукта гликолиза, а аминогруппу получает от глутаминовой кислоты. Глицин синтезируется из серина под действием сериноксиметилтрансферазы. Коферментом этого фермента является Н4-фолат (ТГФК – тетрагидрофолиевая кислота), забирающий одноуглеродный фрагмент от серина с образованием метилен-Н4-фолата. Н4-фолат играет роль промежуточного переносчика одноуглеродных фрагментов (метильной, метиленовой, формильной групп). Эти одноуглеродные фрагменты используются для синтеза пуриновых мононуклеотидов и регенерации метионина. Н4-фолат образуется из фолиевой кислоты, которая для человека является витамином (витамин В9). Источником витамина служат пищевые продукты и синтез бактериями кишечника. Микроорганизмы способны синтезировать витамин В9 из парааминобензойной кислоты, составной части фолата. Сульфаниламидные лекарственные препараты являются структурными аналогами парааминобензойной кислоты и в результате конкурентного ингибирования нарушают синтез фолиевой кислоты у бактерий, вследствие чего образуются соединения, не выполняющие функцию фолиевой кислоты. Поэтому бактерии перестают размножаться. Бесконтрольное употребление сульфаниламидных препаратов приводит к дисбактериозу и гиповитаминозу витамина В9. Биологическая роль глицина и серина. Серин принимает участие в синтезе: фосфатидилсерина, глицина, цистеина. Глицин принимает участие в синтезе гема, пуриновых мононуклеотидов, парных желчных кислот, глутатиона, креатина. Обе аминокислоты участвуют в биосинтезе белков, липидов, углеводов, при катаболизме являются источником энергии. Особенности обмена и биологическая роль серусодержащих аминокислот (метионина, цистеина, цистина). Серусодержащие аминокислоты стабилизируют третичную структуру белков за счет формирования S-S связей. Цистеин входит в состав глутатиона (трипептид: Глу-Гли-Цис), который восстанавливает –SН группы кофермента (НS –КоА), участвует в транспорте аминокислот через клеточные мембраны, используется в синтезе таурина. Метионин – незаменимая аминокислота, участвует в инициации синтеза белка в виде мет-т-РНК. Метионин в активной форме в виде S-аденозилметионина (SАМ) участвует в реакциях трансметилирования (реакция катализируется ферментом метилтрансферазой). Реакция трансметилирования необходима для синтеза адреналина, креатина, карнитина, холина, тимина, инактивации метаболитов и ксенобиотиков. SАМ в ходе реакции трансметилирования превращается в S-аденозилгомоцистеин, который расщепляется на аденозин и гомоцистеин. Гомоцистеин может регенерироваться в метионин при участии метил-Н4-фолата (метил-ТГФК) и метилкобаламина (витамин В12). Первичным донором метильной группы является реакция превращения серина в глицин. Взаимодействие гомоцистеина с серином может приводить к синтезу заменимой аминокислоты цистеина. При нарушении использования гомоцистеина из него образуется гомоцистин, который выводится с мочой, вызывая гомоцистинурию. Возможные причины: наследственные нарушения обмена гомоцистеина или гиповитаминоз витаминов В9 и В12. Особенности обмена фенилаланина и тирозина. Фенилаланин – это незаменимая аминокислота, а тирозин – условно заменимая, поскольку образуется из фенилаланина. Осноаная масса фенилаланина расходуется по двум путям: включается в синтез белков, и под действием фермента фенилаланингидроксилазы превращается в тирозин. Обмен тирозина: кроме использования для синтеза белков он служит предшественником катехоламинов, меланина, тироксина, а так же катаболизирует до СО2 и Н2О через промежуточное образование фумарата и ацетоацетата. Превращение фенилаланина в тирозин скорее нужно для удаления избытка фенилаланина, чем для образования тирозина, т.к. недостатка в тирозине обычно не бывает. Наследственные нарушения обмена отдельных аминокислот и заболевания, связанные с ними. Причинами нарушения обмена аминокислот являются мутация генов, кодирующих синтез энзимов их обмена. Например, нарушение обмена фенилаланина может быть следствием дефектного энзима фенилаланингидроксилазы. Это приводит к повышению в крови фенилаланина и превращения его в фенилпировиноградную, фенилмолочную, фенилуксусную кислоты. Все эти соединения выделяются с мочой больного. Развивается фенилкетонурия с клиническими проявлениями заболевания: поражение ЦНС (вследствие нарушения синтеза белков и нейромедиаторов из-за недостатка тирозина), отставание в умственном развитии. Нарушение обмена тирозина: 1) при дефекте фермента оксидазы гомогентизиновой кислоты, возникает алкаптонурия. Симптомы заболевания: в крови и моче повышено содержание гомогентизиновой кислоты. Моча ребенка окрашивает пеленки в черный цвет. Клинические проявления заболевания: у взрослых охроноз - накопление полимера в хрящевых тканях и их окрашивание. 2) при дефекте фермента тирозиназы возникает альбинизм. Симптомы заболевания: депигментация кожи и волос из-за нарушения процессов синтеза пигментов в коже, волосах и сетчатке глаз, светобоязнь, снижение остроты зрения. 3) при дефекте тирозинаминотрансферазы возникает тирозинемия II типа. Клинические проявления заболевания: поражение глаз и кожи, умеренная умственная отсталость, нарушение координации движений. Строение хромопротеидов. Гемоглобинопатии Хромопротеины - это сложные окрашенные белки. К ним относят гемопротеины (простетическая группа — гем), флавопротеины (витамин В2), ретинальпротеины (витамин А), кобаламинопротеины (витамин B12) и др. Простетичекая группа придает хромопротеинам уникальные биологические свойства: гем, например, обеспечивает транспорт кислорода и углекислого газа, дыхание клеток, витамин А - свето- и цветовосприятие, витамин В12 — обеспечивает кроветворение. В тканях животных важнейшими хромопротеинами являются гемопротеины. В зависимости от функции все гемопротеины делят на неферментативные (миоглобин, гемоглобин), ферментативные (цитохромы, каталаза, пероксидаза). Цитохромы - гемопротеины, участники дыхательной цепи. Каталаза – гемопротеин-фермент, катализирующий разложение пероксида водорода. Пероксидаза - гемопротеин-фермент, катализирующий разложение пероксида водорода с последующим окислением субстрата. Миоглобин — состоит из белка глобина и простетической группы - гема. Белок глобин представлен одной полипептидной цепью. Ее α-спираль укладывается в компактную глобулу с «карманом», в котором размещается гем. В основе гема лежит протопорфирин IX. В эту молекулу, помимо 4-х пиррольных колец, соединенных метиновыми мостиками, входят четыре метильные, две винильные группы и два остатка пропионовой кислоты. Протопорфирин IX, соединяясь с железом, образует качественно новую молекулу — гем. Атом железа имеет 6-координационных связей, четыре из которых участвуют в образовании комплекса железа с плоской молекулой протопорфирина, а две другие направлены перпендикулярно ему. В миоглобине и гемоглобине одна из этих связей используется для соединения с белковой частью (глобином), а другая может присоединить к себе кислород. Важно помнить, что за эту связь могут конкурировать с кислородом молекулы окиси углерода (СО). Причем, они образуют с атомом железа связь, в 200 раз более прочную, чем с кислородом. Это препятствует переносу последнего от легких к тканям и ведет к отравлению даже при малом содержании в атмосфере угарного газа. Гемоглобин - это тоже гемопротеин, как и миоглобин, но более сложного строения. Он состоит из 4-х протомеров (субъединиц). Каждый протомер содержит глобин (α или β цепи белка) и гем. Однако, несмотря на наличие 4-х гемов, их сродство к кислороду в 5 раз меньше, чем у миоглобина. 4 гема в составе гемоглобина работают кооперативно. В присутствии большого количества кислорода (в легких) к одному протомеру присоединяется молекула кислорода. Это приводит к изменению конформации соседних протомеров, что сопровождается увеличением сродства к кислороду. Физиологические типы гемоглобинов образуются на разных этапах онтогенеза. Они отличаются друг от друга набором полипептидных цепей и сродством к кислороду. Различают примитивный, фетальный и гемоглобин взрослого. Аномальные типы гемоглобинов появляются вследствие мутации генов, кодирующих гемоглобин. Это приводит к замене какой-либо аминокислоты на другую в его полипептидной цепи, что ведет к развитию болезней гемоглобинов, например, серповидноклеточной анемии. Синтез и распад гема, патологии пигментного обмена Синтез гема и его регуляция. Гем является простетический группой гемоглобина, миоглобина, каталазы и пероксидазы. Гем синтезируется во всех клетках, но наиболее активно синтез идет в печени и костном мозге. Эти ткани нуждаются в больших количествах гема, необходимого для образования гемоглобина и цитохромов. Ключевой реакцией синтеза порфиринов является реакция образования аминолевулиновой кислоты. Эту реакцию катализирует пиридоксальфосфатзависимый фермент митохондрий эритробластов аминолевулинатсинтетаза. Гем и гемоглобин являются аллостерическими ингибиторами и репрессорами синтеза аминолевулинатсинтетазы. В результате генетических дефектов или нарушения регуляции ферментов, участвующих в синтезе гема, развиваются порфирии. Первичные порфирии обусловлены генетическими дефектами ферментов синтеза гема, вторичные связаны с нарушением регуляции реакций синтеза гема. При этих заболеваниях накапливаются промежуточные метаболиты синтеза гема порфириногены, которые оказывают токсическое действие на нервную систему и вызывают нервно- психологические симптомы. Порфириногены на свету превращаются в порфирины, которые при взаимодействии с кислородом образуют активные радикалы, повреждающие клетки кожи. Катаболизм гема. Гем является простетической группой гемоглобина и геминовых ферментов. Время жизни эритроцитов составляет 110-120 дней; состарившиеся эритроциты фагоцитируются макрофагами, главным образом в селезенке, а также в печени и красном костном мозге. Освобождающийся из гемоглобина гем повторно не используется. Он распадается с образованием железа и желчных пигментов; железо реутилизируется, а желчные пигменты выводятся из организма. Первая реакция распада гема катализируется гем-оксигеназой – ферментом эндоплазматического ретикулума. В реакции используется НАДФН2 и кислород; один из метиновых мостиков тетрапиррольной структуры гема окисляется, углерод метиновой группы превращается в оксид углерода СО. При этом от гема отщепляется железо и образуется биливердин – пигмент зеленого цвета. Биливердин затем восстанавливается до билирубина биливердинредуктазой; билирубин имеет красно-коричневый цвет. Основная часть билирубина образуется в клетках ретикулоэндотелиальной системы селезенки и костного мозга. Из этих органов билирубин в соединении с альбумином транспортируется кровью в печень, где происходит его коньюгация с глюкуроновой кислотой. Глюкуроновая кислота присоединяется к карбоксильным группам пропионильных остатков, образуя глюкурониды билирубина. Коньюгация с глюкуроновой кислотой существенно изменяет свойства билирубина. Билирубин нерастворим в воде; поэтому он транспортируется с кровью в соединении с альбумином. Билирубинглюкуронид растворим в воде и легко выводится с желчью в кишечник. Билирубин токсичен, особенно для мозга; глюкурониды билирубина не токсичны. Таким образом, в результате коньюгации билирубина происходит его детоксикация и облегчается выведение из организма. В кишечнике от билирубинглюкуронидов под действием бактериальных ферментов гидролитически отщепляется глюкуроновая кислота, а вновь образовавшийся билирубин восстанавливается по некоторым двойным связям, образуя две группы продуктов: уробилиногены и стеркобилиногены. Основная часть этих веществ выводится с калом. Остальная часть уробилиногенов и стеркобилиногенов всасывается из кишечника в кровь и затем вновь попадает в желчь, а частично выводится через почки. Уробилиногены и стеркобилиногены – бесцветные вещества; в кале и выпущенной моче они окисляются кислородом воздуха и превращаются в уробилины и стеркобилины, имеющие желтую окраску. Часто продукты превращений билирубина называют желчными пигментами независимо от того, имеют они окраску или нет; все они в тех или иных количествах обнаруживаются в желчи. Нарушение обмена билирубинов приводит к развитию желтухи. Виды желтух: обтурационная (механическая), паренхиматозная, гемолитическая, желтуха новорожденных. 6 модуль. Обмен нуклеотидов. Матричные синтезы Строение нуклеотидов и полинуклеотидов Нуклеопротеины – это сложные белки, состоящие из простых белков (протаминов или гистонов) и простетической группы (нуклеиновых кислот). Нуклеиновые кислоты - это полимеры (полинуклеотиды), мономерами которых являются мононуклеотиды. Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи: пентоза одного нуклеотида соединена ковалентно при помощи фосфорной кислоты с 5'-гидроксидной группой пентозы другого мононуклеотида. В полинуклеотиде всегда с одного конца остается свободная фосфорная кислота, прикрепленная к 5'-гидроксиду рибозы, а с другого - свободная ОН-группа рибозы в положении 3'. Таким образом, остов нуклеиновых кислот состоит из многих монотонно чередующихся остатков фосфорной кислоты и пентозных групп. Азотистые основания, как боковые группы, присоединены к остову на равных расстояниях друг от друга. В зависимости от углевода, который входит в цепь (рибоза или дезоксирибоза), различают: РНК или ДНК. В соответствии с этим, в природе обнаруживают два типа нуклеопротеинов: рибонуклеопротеины (РНП) и дезоксирибонуклеопротеины (ДНП). Они отличаются друг от друга по составу, размерам, физико-химическим и биологическим свойствам. Дезоксирибонуклеопротеины (ДНП). Простетическая группа этих сложных белков представлены ДНК. Основная функция ДНК — это хранение генетической информации и участие в передаче этой информации дочерней ДНК при делении клетки, или РНК в процессе синтеза белка. Вторичная структура ДНК (модель Уотсона – Крика) – это двойная правозакрученная спираль ДНК, где цепи антипараллельны (5'→3' и 3'→5'), внешняя сторона спирали – фосфорная кислота, связанная с дезоксирибозой, а внутренние компоненты спирали – азотистые основания, расположенные комплементарно (А : : Т, Г : : : Ц). Третичная структура ДНК – укладка двойной спирали ДНК в виде суперспирали. Рибонуклеопротеины (РНП). Простетическая группа – РНК. Основная функция РНК – передача генетической информации и участие в процессах биосинтеза белка. Различают 3 главных вида РНК: матричную (м-РНК), рибосомальную (р-РНК), транспортную (т-РНК). Любая из этих РНК, в отличие от ДНК, представляет собой одноцепочечный полирибонуклеотид со специфической последовательностью мононуклеотидов в цепи. Вторичные и третичные структуры их нерегулярны. м–РНК появляется после списывания информации с ДНК и служит матрицей, на которой строится аминокислотная последовательность белков. Она кодирует одну или несколько полипептидных цепей (ППЦ). Кодовым элементом м-РНК является триплет нуклеотидов (кодон). Каждый кодон ответственен за присоединение к полипентидной цепи только одной определенной аминокислоты при построении молекулы белка. р–РНК служит каркасом будущей рибосомы – малой (40S) и большой (60S) субъединиц. Биологическая роль рибосомы - участие в процессах сборки молекулы белка. т–РНК имеет вторичную структуру, напоминающую «клеверный листок» и функционально важные участки: акцепторный участок (ЦЦА), антикодон (триплет), псевдоуридиловую петлю – место связывания с рибосомой (TC – петля), дигидроуридиловую петлю – место прикрепления фермента аа–т–РНК–синтетазы, ответственной за присоединение определенной аминокислоты к данной т–РНК (D –петля). Каждой из 20 аминокислот соответствует одна или несколько т-РНК, но одна т–РНК транспортирует только одну определенную аминокислоту. Биологические функции т-РНК: активирование аминокислот, транспорт аминокислот к рибосоме, определение места аминокислоты в полипептидной цепи. Свободные нуклеотиды: АТФ, АДФ, АМФ, ГТФ, ГДФ, ГМФ и т.д. Они являются макроэргами, входят в состав динуклеотид-коферментов (НАД, НАДФ, ФАД), образуют циклические мононуклеотиды (цАМФ, цГМФ - вторичные мессенджеры). Обмен нуклеопротеинов. Нарушения обмена нуклеотидов Нуклеотиды и их производные выполняют многообразные функции в организме, участвуя: - в синтезе нуклеиновых кислот и нуклеиновых коферментов, - в реакции запасания и использования энергии, - в образовании активных форм сахаров, азотистых оснований, сульфатов метионина, - в трансдукции сигналов в клетку гормонов, факторов роста, нейромедиаторов и других регуляторных молекул. Практически все клетки организма способны к синтезу нуклеотидов. Кроме того, источниками нуклеотидов служат нуклеиновые кислоты пищи и собственных тканей организма. Нуклеиновые кислоты пищи в кишечнике гидролизуются под действием нуклеаз панкреатического сока – ДНКазы и РНКазы. Продуктами гидролиза являются мононуклеотиды и олигонуклеотиды. Фосфодиэстеразы кишечника расщепляют олигонулеотиды до мононуклеотидов. Последние при участии фосфатаз гидролизуются с образованием нуклеозида и фосфорной кислоты. 90% пуриновых нуклеотидов синтезируются de novo из простых предшественников. В формирование пуринового кольца принимают участие аминокислоты Асп, Гли, Глн, СО2, и два одноуглеродных производных тетрагидрофалата: метинил-Н4-фолат и формил-Н4-фолат. Сборка пуринового кольца осуществляется на остатке 5-фосфорибозил-1-амина. 5- фосфорибозил-1-амин образуется путем аминирования глутамина фосфорибозилдифосфата (ФРДФ), источником которого является пентозофосфатный путь углеводного обмена. Результатом серии реакций является образование первого пуринового нуклеотида инозин-5- монофосфата (ИМФ). ИМФ является родоначальником синтеза АМФ и ГМФ. В регуляции биосинтеза пуриновых нуклеотидов реакция образования 5-фосфорибозиламина является лимитирующей стадией. Фермент, катализирующий эту реакцию, ингибируется АМФ и ГМФ. Кроме того, эта метаболическая цепь регулируется в месте ее разветвления. Высокая концентрация ГМФ или АМФ ингибирует реакцию своего образования из ИМФ. Пуриновые нуклеотиды синтезируются «запасным путем» («путь спасения») из азотистых оснований и фосфорибозилпирофосфата (ФРПФ). При этом используются азотистые основания, образующиеся в процессе катаболизма нуклеиновых кислот. Два фермента катализируют эти реакции: аденозилфосфорибозилтрансфераза катализирует образование АМФ из аденина и ФРПФ; гипоксантинфосфорибозилтрансфераза приводит к образованию из гуанина и ФРПФ ГМФ. Или из гипоксантина и ФРПФ ИМФ. В результате снижается образование конечных продуктов обмена пуринов – мочевой кислоты. |