Биохимия. Полный набор лекций. Нейромедиаторов
 Скачать 18.11 Mb.
|
|
С ( Ф О ЛИ ЕВА ЯКИ СЛОТА) Источники Растительные продукты, дрожжи, мясо, печень, почки, желток яиц. Витамин активно синтезируется дружественной кишечной микрофлорой. Суточная потребность 400 мкг. Строение Витамин представляет собой комплекс из трех составляющих – птеридина, параамино- бензойной кислоты и глутаминовой кислоты. Остатков глутамата, соединенных через карбоксильную группу, может быть разное количество. Витамины, их коферментные формы, функции 44 Биохимические функции Непосредственная функция тетрагидрофолиевой кислоты – перенос одноуглеродных фрагментов o формила – N 5 -формил-ТГФК и N 10 -формил-ТГФК o метенила – N 5 ,N 10 -метенил-ТГФК метилена – N 5 ,N 10 -метилен-ТГФК метила – N 5 -метил-ТГФК o формимина (-СН=NH) – N 5 -формимино-ТГФК Благодаря способности переносить одноуглеродные фрагменты витамин участвует в синтезе пуриновых оснований и тимидинмонофосфата, те, следовательно, в синтезе ДНК, участвует в обмене аминокислот – обратимое превращение глицина и серина, синтез метионина из гомоцистеина, взаимодействует с витамином В, содействуя выполнению его функций. Гиповитаминоз Причина Пищевая недостаточность, кислые продукты, тепловая обработка пищи, прием лекарств (барбитураты, сульфаниламиды и антибиотики, некоторые цитостатики – аминоптерин, метотрексат), алкоголизм и беременность. Клиническая картина В первую очередь затрагиваются органы кроветворения так как клетки не теряют способности расти, ив них происходит нарушение синтеза ДНК с остановкой деления, то это приводит к образованию мегалобластов (крупных клеток) и мега- лобластической анемии. Лейкопения присутствует по той же причине. Аналогично развивается поражение слизистых желудка и кишечного тракта (гастриты, энтериты), глоссит. Отмечается замедление роста, конъюнктивит, ухудшение заживления ран, иммуноде- фициты, оживление хронических инфекций и субфебрилитет. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Лекарственные формы Фолинат кальция. ВИТАМИН В КОБАЛАМИНА Н Т И АНЕМИЧЕСКИЙ) Источники Из пищевых продуктов витамин содержат только животные продукты печень, рыба, почки, мясо. Также он синтезируется кишечной микрофлорой, однако не доказана возможность всасывания витамина в нижних отделах ЖКТ. Суточная потребность 2,5-5,0 мкг. Строение Содержит 4 пиррольных кольца, ион кобальта (с валентностью от Co 3+ до Co 6+ ), группу CN – . В организме при синтезе коферментных форм цианидная группа CN – заменяется метильной или 5'-дезоксиаденозильной. Метаболизм Для всасывания в кишечнике необходим внутренний фактор Касла – гликопротеин, синтезируемый обкладочными клетками желудка. В крови транспортируется в виде гидро- ксикобаламина специфическими транспортными белками ( α- и глобулинами. Биохимические функции Витамин В участвует в двух видах реакций – реакции изомеризации и метилирования. 1. Основой изомеризующего действия витамина В является возможность способствовать переносу атома водорода на атом углерода в обмен на какую-либо группу. Это имеет значение в процессе окисления остатков жирных кислот с нечетным числом атомов углерода, при утилизации углеродного скелета треонина, валина, лейцина, изолейцина, метионина, боковой цепи холестерола. Витамины, их коферментные формы, функции 2. Участие в трансметилировании аминокислоты гомоцистеина при синтезе метионина. Метионин в дальнейшем активируется и используется для синтеза адреналина, креатина, холина, фосфатидилхолина. Гиповитаминоз Причина. У вегетарианцев – пищевая недостаточность. Однако чаще причиной является не отсутствие в пище, а плохое всасывание в результате заболеваний желудка и кишечника (атрофический гастрит и энтериты). Также иногда встречаются аутоиммунные нарушения, при которых образуются антитела против обкладочных клеток желудка и против внутреннего фактора Касла (пернициозная анемия, что препятствует всасыванию витамина. Клиническая картина. 1. Макроцитарная анемия, при которой количество эритроцитов снижено в 3-4 раза. Она возникает чаще у пожилых, но может быть и у детей. Непосредственной причиной анемии является потеря фолиевой кислоты клетками при недостаточности витамина В и, как следствие, замедление деления клеток из-за снижения синтеза пуриновых нуклеотидов и ТМФ. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Нехватка витамина В без гематологических нарушений поразительно широко распространена, особенно среди пожилых. 2. Неврологические нарушения замедление окисления жирных кислот с нечетным числом атомов углерода и накопление токсичного метилмалоната вызывает жировую дистрофию нейронов и демие- линизацию нервных волокон. Это проявляется в онемении кистей, стоп, ухудшении памяти, нарушении походки, снижении кожной чувствительности, нарушении сухожильных рефлексов (ахиллов, коленный, нехватка метионина опосредует снижение активности реакций метилирования, в частности, уменьшается синтез нейромедиатора ацетилхолина, Лекарственные формы Цианкобаламин. ВИТАМИН Н ( Б ИО ТИНА Н ТИСЕ БОРЕЙ Н Ы Й) Источники Из пищевых продуктов витамин содержат печень, почки, горох, соя, цветная капуста, грибы. Также он синтезируется кишечной микрофлорой. Суточная потребность 150-200 мкг. Строение Гетероциклическая часть молекулы состоит из имидазольного и тиофенонового циклов. К последнему присоединена валериановая кислота, которая связывается с лизином белковой части молекулы. Биохимические функции Биотин участвует в переносе СО 2 либо из НСО 3 – (реакции карбоксилирования, либо от R-СООН (реакция транскарбоксилирования). Этот переноснеобходим: при синтезе оксалоацетата – биотин находится в составе пируваткарбоксилазы (см "Обмен углеводов, что обеспечивает поддержание активности цикла трикарбоновых кислот и глюконеогенеза, Витамины, их коферментные формы, функции в синтезе жирных кислот – биотин находится в составе ацетил-SКоА-карбоксилазы см "Обмен липидов, в утилизации разветвленных углеродных цепей при катаболизме лейцина, изолейцина и некоторых жирных кислот – находится в составе пропионил-SКоА- карбоксилазы, образующей метилмалонил-SКоА: Гиповитаминоз Причина. Дисбактериоз и комплексное нарушение поступления витаминов, например, при длительном парентеральном питании. В эксперименте может быть вызван потреблением очень больших количеств сырых яиц (12 штук вдень) в течение длительного времени (2 недели, т.к. в них содержится гликопротеин авидин (антивитамин, связывающий биотин. Клиническая картина У человека практически не встречается. В эксперименте обнаруживаются дерматиты, выделение жира сальными железами кожи (себорея, поражение ногтей, выпадение волос, анемия, анорексия, депрессия, усталость, сонливость. ФЕРМЕНТЫ, СВОЙСТВА, КЛАССИФИКАЦИЯ, РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ Основу всех жизненных процессов составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Значение ферментов точно и образно определил И.П.Павлов, назвав их "возбудителями жизни. Нарушения в работе ферментов ведут к возникновению тяжелых заболеваний (фенилкетонурия, гликогенозы, галактоземия, тирозинемия) или существенному снижению качества жизни (дислипопротеинемии, гемофилии. Известно, что для осуществления химической реакции необходимо, чтобы реагирующие вещества имели суммарную энергию выше, чем величина, называемая энергетическим барьером реакции. Для характеристики величины энергетического барьера Аррениус ввел понятие энергии активации. Преодоление энергии активации в химической реакции достигается либо увеличением энергии взаимодействующих молекул, например нагреванием, облучением, повышением давления, либо снижением требуемых для реакции затрат энергии (те. энергии активации) при помощи катализаторов. По своей функции ферменты являются биологическими катализаторами. Сущность действия ферментов, также как неорганических катализаторов, заключается в активации молекул реагирующих веществ, в разбиении реакции на несколько стадий, энергетический барьер каждой из которых ниже такового общей реакции. Однако энергетически невозможные реакции ферменты катализировать не будут, они ускоряют только те реакции, которые могут идти в данных условиях. ЭТАПЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА В ферментативной реакции можно выделить следующие этапы 1. Присоединение субстрата (S) к ферменту (E) с образованием фермент-субстратного комплекса. Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько переходных комплексов (E-X) за одну или несколько стадий. 3. Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт (E-P). Ферменты, свойства, классификация, регуляция активности 4. Отделение конечных продуктов от фермента. МЕХАНИЗМЫ КАТАЛИЗА. Кислотно-основной катализ – в активном центре фермента находятся группы специфичных аминокислотных остатков, которые являются хорошими донорами или акцепторами протонов. Такие группы представляют собой мощные катализаторы многих органических реакций. 2. Ковалентный катализ – ферменты реагируют со своими субстратами, образуя при помощи ковалентных связей очень нестабильные фермент-субстратные комплексы, из которых входе внутримолекулярных перестроек образуются продукты реакции. ТИПЫ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ. Тип "пинг-понг" – фермент сначала взаимодействует с субстратом А, отбирая у него какие либо химические группы и превращая его в соответствующий продукт. Затем к ферменту присоединяется субстрат В, получающий эти химические группы. Примером являются реакции переноса аминогрупп от аминокислот на кетокислоты (см "Трансаминирова- ние"). 2. Тип последовательных реакций – к ферменту последовательно присоединяются субстраты Аи В, образуя "тройной комплекс, после чего осуществляется катализ. Продукты реакции также последовательно отщепляются от фермента. Доноры Акцепторы -СООН -NH 3 + -SH -СОО – -NH 2 -S – www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 51 3. Тип случайных взаимодействий – субстраты Аи В присоединяются к ферменту в любом порядке, неупорядоченно, и после катализа также отщепляются. СХОДСТВО ИО ТЛИ Ч И Я ФЕРМЕНТОВ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ СХОДСТВО ОТЛИЧИЯ. Катализируют только энергетически возможные реакции. 2. Не изменяют направления реакции. 3. Ускоряют наступление равновесия реакции, ноне сдвигают его. 4. Не расходуются в процессе реакции. 1. Скорость ферментативной реакции намного выше. 2. Высокая специфичность. 3. Мягкие условия работы внутриклеточные. Возможность регулирования скорости реакции. Скорость ферментативной реакции пропорциональна количеству фермента. СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Подобно белкам они делятся на простые и сложные. Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин, трипсин, лизоцим. Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор. Кофактор, в свою очередь, может называться коферментом или простетической группой. Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), пероксидаза (содержит гем. Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут. Ферменты, свойства, классификация, регуляция активности 52 Как многие белки, ферменты могут быть мономерами те. состоят из одной субъединицы, и полимерами, состоящими из нескольких субъединиц. В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию 1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр. У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора. В свою очередь в активном центре выделяют два участка якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре, каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции. 2. Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество (см "Регуляция активности ферментов. Аллостерические ферменты являются полимерными белками и их активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах. И ЗОФЕРМЕНТЫ Изоферменты – это молекулярные формы одного итого же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента. Различные изоферменты определяют скорость и направление реакции благодаря разному сродству к субстрату. Например, димерный фермент креатинкиназа представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг. Креатинкиназа-1 состоит из субъединиц типа B, локализуется в головном моз- www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 53 ге, креатинкиназа-2 – по одной Ми В субъединице активна в миокарде, креатинкиназа-3 – две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы. Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) – фермента, участвующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца. Лактатдегидрогеназы типов 1 Ни) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек, обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пи- руват. ЛДГ-4 (H 1 M 3 ) и ЛДГ-5 (М) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек, обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H 2 M 2 ). М УЛЬТИФЕРМЕНТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ В мультиферментном комплексе несколько ферментов например, ЕЕ, Е) прочно связаны между собой в единый комплекс и осуществляют ряд последовательных реакций, в которых продукт реакции непосредственно передается наследующий фермент и является только его субстратом. Благодаря таким комплексам значительно ускоряется скорость превращения молекул. Например, пируватдегидрогеназный комплекс, превращающий пируват в ацетил-SКоА, α-кетоглутаратдегид- рогеназный комплекс, превращающий α-кетоглутарат в сук- цинил-SКоА, комплекс под названием "синтаза жирных кислот" (или пальмитатсинтаза), синтезирующий пальмитиновую кислоту. ПРИНЦИПЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ. Активность фермента выражается вскорости накопления продукта или скорости убыли субстрата в пересчете на количество материала, содержащего фермент. Количество продукта или субстрата Активность фермента Количество времени Масса или объем пробы Ферменты, свойства, классификация, регуляция активности 54 В практике обычно используют единицы количества вещества – моль (и его производные ммоль, мкмоль), грамм (кг, мг, единицы времени – минута, час, секунда, единицы массы или объема – грамм (кг, мг, литр (мл. Активно используются и другие производные – катал (моль/с), международная единица активности (МЕ, Unit) соответствует мкмоль/мин. Таким образом, активность фермента может выражаться, например, в ммоль/с ×л, г/час ×л, МЕ/л, кат/мл и т.д. Например, известно, что 1 г пепсина расщепляет 50 кг яичного белка за один час – таким образом, его активность составит 50 кг/час наг фермента. Если количество слюны в 1,6 г расщепляет 175 кг крахмала в час – активность амилазы слюны составит кг крахмала в час наг слюны. 2. Создание стандартных условий, чтобы можно было сравнивать результаты, полученные в разных лабораториях – оптимальная рН, и фиксированная температура, например, С или С, соблюдение времени инкубации субстрата с ферментом. 3. Избыток субстрата, чтобы работали все имеющиеся в растворе молекулы фермента. СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ Зависимость скорости реакции от температуры – описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при значениях оптимальной температуры для данного фермента. Закон о повышении скорости реакции в 2-4 раза при повышении температуры на С справедлив и для ферментативных реакций, но только в пределах до С, те. в значениях до денатурации белков. Наряду с этим, как исключение, имеются ферменты некоторых микроорганизмов, существующих вводе горячих источников и гейзеров. При понижении температуры активность ферментов понижается, ноне исчезает совсем. Иллюстрацией может служить зимняя спячка некоторых животных (суслики, ежи, температура тела которых понижается до С. Это свойство ферментов также используется в хирургической практике при проведении операций нагрудной полости, когда больного подвергают охлаждению до С. 2. Зависимость скорости реакции от рН – описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при оптимальном для данного фермента значении рН. Для каждого фермента существует определенный узкий интервал рН среды, который является оптимальным для проявления его высшей активности. Например, оптимальные значения рН для пепсина 1,5-2,5, трипсина 8,0-8,5, амилазы слюны 7,2, арги- назы 9,7, кислой фосфатазы 4,5-5,0, сукци- натдегидрогеназы 9,0. 3. |