Биохимия в таблицах, схемах и графиках. С. Д. Жамсаранова Ю. А. Капустина на. Тыхеева
 Скачать 6.61 Mb.
|
|
1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ БУРЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОХИМИЯ В ТАБЛИЦАХ, СХЕМАХ, ГРАФИКАХ Составители С.Д. Жамсаранова Ю.А. Капустина НА. Тыхеева Н.Б. Болданова Улан–Удэ Издательство Бурятского госуниверситета 2009 2 УДК 577.1 Б 638 Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом Бурятского госуниверситета Рецензенты С.Н. Лебедева, др. биол. наук, проф. СВ. Жигжитжапова канд.биол. наук Биохимиявтаблицахсхемахиграфиках: Б 638 учеб. пособие сост. С.Д. Жамсаранова, Ю.А. Капустина, НА. Тыхеева, Н.Б. Болданова. – Улан-Удэ: Издательство Бурятского государственного университета, 2009. 106 с. Данное пособие - это содержательный раздаточный материал, позволяющий оперативно получать наглядную информацию по центральным проблемам биохимии. Пособие предназначено для студентов специальности 060101.65 – лечебное дело. © С.Д. Жамсаранова, Ю.А. Капустина, НА. Тыхеева, Н.Б. Болданова, составление, 2009 © Бурятский госуниверситет, 2009 3 СОДЕРЖАНИЕ Список сокращений ………………………………………………..………5 Строениеихарактеристикапротеиногенных амнокислот...................................................................................................7 Структура белков. 10 Ферменты Классификация ферментов Коферменты и витамины, входящие в их состав Механизм действия ферментов Ингибиторы ферментов Применение ферментов в медицине Энергетическийобмен……………………………………………….….26 Митохондриальная цепь переноса электронов Биологическое значение цикла трикарбоновых кислот Гипоэнергетическое состояние Связь общего пути катаболизма с цепью переноса электронов ……………………………………………………...36 Обменифункцииуглеводов…………………………….….…. ……....37 Транспорт глюкозы в клетки ……………………………………….…....39 Катаболизм глюкозы. ……….…………………………………..……..…41 Гликогенез…………………………………………………………………45 Гликогенолиз………………………………………………………………47 Глюконеогенез…………………………………………………………….49 Метаболизм фруктозы и галактозы Обменифункциилипидов……………………………………...............57 Этапы расщепления липидов в пищеварительном тракте Строение липопротеинов………………………………………………. . 63 Катаболизм жирных кислот Реакции синтеза кетоновых тел Биосинтез жирных кислот Метаболизм холестерина и желчных кислот Эйкозаноиды……………………………………………………………….76 Трансмембраннаяпередачасигнала......................................................77 Структурануклеиновыхкислот……………………………………….79 Репликация Репарация ошибок и повреждений ДНК Транскрипция. ………………………………………………………….…87 Трансляция Ингибиторы матричных биосинтезов………………………… ………...91 Обменаминокислот…………………………………………………...…93 4 Источники и способы обезвреживания аммиака в разных тканях Наследственные нарушения орнитинового цикла ……………………..99 Кето- и гликогенные аминокислоты Особенности метаболизма фенилаланина и тирозина в разных тканях 5 Список сокращений А - аденин АДФ - аденозиндифосфат Ала - аланин Альбумин-НЭЖК - альбумин-неэтерифицированные жирные кислоты цАМФ - циклический аденозинмонофосфат Арг - аргинин Асн - аспарагиновая кислота Асп - аспарагин АТФ - аденозинтрифосфат Вал - валин ВЖК - высшие жирные кислоты Г - гуанин Гал - галактоза ГДФ - гуанозиндифосфат Гис - гистидин ГК - гексокиназа Гли - глицин Глк - глюкоза Глн - глутамин Глу - глутаминовая кислота ГМГ-КоА - β-гидроксиметилглутарил-КоА ГМГ-КоА-редуктаза - β-гидроксиметилглутарил-КоА-редуктаза ГТФ - гуанозинтрифосфат ДАГ - диацилглицерины ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота ДОФА - дигидроксифенилаланин ЖК - жирная кислота ЛВП - липопротеины высокой плотности Лей - лейцин Лиз - лизин ЛНП - липопротеины низкой плотности ЛОНП - липопротеины очень низкой плотности ЛП-липаза - липопротеинлипаза ЛХАТ - лецитинхолестеролацилтрансфераза Мет - метионин МАО - моноаминоксидаза НАД+ - никотинамидадениндинуклеотид НК - нуклеиновые кислоты ОМФ - оротидинмонофосфат 6 Про - пролин РНК - рибонуклеиновая кислота мРНК - матричная РНК рРНК - рибосомальная РНК тРНК - транспортная РНК Сер - серин Т - Тимин ТАГ - Триацилглицерин ТАГ-липаза - триацилглицеролипаза Тир - тирозин ТГФК - тетрагидрофолиевая кислота (Н- фолат) Три - триптофан У - урацил УДФ - уридиндифосфат УТФ - уридинтрифосфат ФАД - флавинадениндинуклеотид Фен - фенилаланин Фру - фруктоза ФФК - фосфофруктокиназа ХМ ост - хиломикроны остаточные Ц - цитозин ЦДФ - цитидиндифосфат ЦПЭ - цепь переноса электронов ЦТК - цикл трикарбоновых кислот Н - гемоглобин НА - нормальный гемоглобин взрослого человека Км - константа Михаэлиса Х - максимальная скорость 7 СТРОЕНИЕИХАРАКТЕРИСТИКАПРОТЕИНОГЕННЫХ АМИНОКИСЛОТ α Н ─ СН ─ СООН │ R КЛАССИФИКАЦИЯАМИНОКИСЛОТПОИХХИМИЧЕСКОМУ СТРОЕНИЮ Символы Константы диссоциации Аминокислоты русск. лат. М рК 1 рК 2 рК 3 ИЭТ Глицин Гли Gly,G 75 - - - 5,97 Аланин Ала Ala,A 89 2,39 9,69 - 6,0 Валин Вал Val,V 117 2,32 9,62 - 6,0 Лейцин Лей Leu,L 113 2,36 9,60 - 6,0 Изолейцин Иле Ile,I 113 2,26 9,62 - 5,9 Серин Сер Ser,S 105 2,21 9,35 - 5,7 Треонин Тре Thr,T 119 2,15 9,12 - 5,6 Цистеин Цис Cys,C 121 1,71 8,33 10,8 5,0 Метионин Мет Met,M 149 2,28 9,21 - 5,7 Фенилаланин Фен Phe,F 165 1,83 9,13 - 5,3 Тирозин Тир Tyr,Y 181 2,2 9,11 10,1 5,7 Триптофан Три Trp,W 204 2,38 9,30 - 5,9 Пролин Про Pro,P 115 1,99 10,0 - 6,3 Аспарагин Асн Asn, N 132 2,19 9,11 - 5,41 Глутамин Глн Gln,Q 146 1,98 9,10 - 5,65 Гистидин Гис His,H 155 1,78 5,97 8,97 7,6 Лизин Лиз Lys,K 146 2,20 8,90 10,3 9,7 Аргинин Арг Arg,R 174 2,18 9,09 13,2 10,9 Аспарагиновая кислота Асп Asp,D 133 1,88 3,65 9,00 2,8 Глутаминовая кислота Глу Glu,E 147 2,19 4,25 9,07 3,2 8 КЛАССИФИКАЦИЯАМИНОКИСЛОТ, ОСНОВАННАЯНА ПОЛЯРНОСТИБОКОВЫХЦЕПЕЙ Боковые цепи неполярных аминокислот Глицин (Gly,G) Аланин (Ala,A) Валин (Val,V) Пролин (Pro, P) │ Н │ СН 3 │ Н 3 С─СН │ СН 3 СОО │ СН ⁄ \ Н СН 2 \ / Н 2 С—СН 2 Лейцин (Leu,L) Изолейцин (Ile, I) │ СН 2 │ Н 3 С─СН │ СН 3 │ Н 3 С─СН │ СН 2 │ СН 3 Боковые цепи полярных, незаряженных аминокислот Серин (Ser,S) Цистеин (Cys, C) Метионин (Met, M) │ СН 2 │ ОН │ СН 2 │ Н │ СН 2 │ СН 2 │ S │ СН 3 Глутамин (Gln, Q) Аспарагин (Asn,N) Треонин (Thr, T) │ СН 2 │ СН 2 │ СОН СН 2 │ СОН Н 3 С─СН │ ОН Боковые цепи отрицательно заряженных аминокислот Глутаминовая кислота (Glu, E) Аспарагиновая кислота (Asp, D) │ СН 2 │ СН 2 │ СОО │ СН 2 │ СОО 9 Положительно заряженные Лизин (Lys, K) Аргинин (Arg, R) Гистидин (His, H) │ СН 2 │ СН 2 │ СН 2 │ СН 2 │ Н СН 2 │ СН 2 │ СН 2 │ НС Н Н СН 2 │ Ароматические боковые цепи Фенилаланин Тирозин Триптофан │ СН 2 │ │ СН 2 │ │ ОН NH CH КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕРАВНОВЕСИЕВРАСТВОРЕ α− АМИНОКИСЛОТ R CH COO – NH 3 + R CH COOH NH 3 + R CH COO – NH 2 R CH COOH NH 2 K 1 K 2 K 3 K 4 Кислая среда Нейтральная среда Щ елочная среда Катион Цвиттер - ион Анион Нейтральная форма 10 ПЕНТАПЕПТИД H 2 N C H C N C H C N C H C N C H C N C H C O H R 1 O R 2 O R 3 O R 4 O R 5 O H H H H N- Конец С - Конец R 1 , и т.д. — боковые радикалы аминокислот. Пептидный остов молекулы выделен утолщенными линиями. СТРУКТУРАБЕЛКОВ Пептидные цепи содержат десятки, сотни и тысячи аминокислотных остатков, соединенных прочными пептидными связями. За счет внутримолекулярных взаимодействий белки образуют определенную пространственную структуру, называемую конформация белков. Различают 4 уровня структурной организации белков. Первичнаяструктура – это линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Вторичнаяструктурабелков – это пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами пептидного остова. При этом пептидная цепь может приобретать структуры двух типов спирали и структуры. Третичнаяструктурабелка – это трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействий между радикалами 11 аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в пептидной цепи. СВЯЗИСТАБИЛИЗИРУЮЩИЕТРЕТИЧНУЮСТРУКТУРУ ГЛОБУЛЯРНОГОБЕЛКА Показаны только некоторые пары взаимодействующих радикалов ТИПЫРАДИКАЛОВАМИНОКИСЛОТИОБРАЗУЕМЫЕИМИСВЯЗИ Типы радикалов Соответствующие аминокислоты Примерное содержание в белках Связи, образуемые радикалами Неполярные радикалы Гли, Ала, Вал, Лей, Иле, Фен, Три, Про 50% Гидрофобные и Ван-дер-ваальсовы индукционные и дисперсионные) взаимодействия Полярные радикалы неспособные к ионизации Сер, Тре, Цис, Тир, Асн, Глн 20% Водородные связи, для Цис еще и дисульфидные связи Полярные радикалы способные к ионизации при физиологическом рН Асп, Глу, Арг, Лиз, Гис 30% Ионные и водородные связи 12 ТРЕТИЧНАЯСТРУКТУРАИНСУЛИНА Спиралями представлены спиральные участки, цилиндрическими кривыми — нерегулярные участки. Пунктиром показаны водородные связи, а сплошными линиями — мостики. НЕКОТОРЫЕСЛОЖНЫЕБЕЛКИ Белки Простетическая группа Металлопротеины Фосфопротеины Гемопротеины Гликопротеины Липопротеины Нуклеопротеины Рибонуклеопротеины (рибосомы и др) Дезоксирибонуклеопротеины хроматин) Ионы металлов Н 3 РО 4 Гемы Моносахариды, олигосахариды Триацилглицерины и сложные липиды РНК ДНК 13 ПРОСТРАНСТВЕННАЯЧЕТВЕРТИЧНАЯСТРУКТУРА ЧЕЛОВЕЧЕСКОГОГЕМОГЛОБИНА Гемоглобин – олигомерный белок. Основная функция гемоглобина – транспорт О 2 из легких в ткани. Функция регулируется различными лигандами. Состоит из четырех субъединиц, двух α (по 141 аминокислотному остатку в каждой) и двух по 146 остатков в каждой. Более темным цветом выделены β - субъединицы. С каждой субъединицей связана одна молекула гема – выделена черным цветом ДЕНАТУРАЦИЯБЕЛКОВИПОДДЕРЖАНИЕИХНАТИВНОЙ КОНФОРМАЦИИВУСЛОВИЯХКЛЕТКИ Денатурациябелков– это разрушение их нативной конформации, вызванное разрывом слабых связей, стабилизирующих пространственные структуры, при действии денатурирующих агентов. РЕАГЕНТЫИУСЛОВИЯ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ДЕНАТУРАЦИЮБЕЛКОВ Денатурирующие агенты Особенности действия реагента Высокая температура выше 60 0 С) Разрушение слабых связей в белке Кислоты и щелочи Изменение ионизации ионогенных групп, разрыв ионных и водородных связей Мочевина Разрушение внутримолекулярных водородных связей в результате образования водородных связей с мочевиной 14 Спирт, фенол, хлорамин Разрушение гидрофобных и водородных связей Соли тяжелых металлов Образование нерастворимых солей белков и ионов тяжелых металлов ФЕРМЕНТЫ Ферменты (Е) – это белковые катализаторы, ускоряющие реакции в клетке. Сходствоферментовсхимическимикатализаторами: - увеличивают скорость реакции, ноне расходуются входе процесса и не претерпевают необратимых изменений - не изменяют состояние равновесия химической реакции, ускоряя как прямую таки обратную реакцию в равной степени - повышают скорость реакции, понижая энергию активации, тот энергетический барьер, который отделяет одно состояние системы от другого. Отличияферментовотнебиологическихкатализаторов: - высокая эффективность действия - высокая специфичность действия – способность выбирать определенный субстрат и катализировать специфическую реакцию - мягкие условия протекания ферментативных реакций температура 37 С, нормальное атмосферное давление, рН, близкое к нейтральному - способность к регуляции. КЛАССИФИКАЦИЯФЕРМЕНТОВ Класс Тип катализируемой реакции Оксидоредуктазы Окислительно-восстановительные реакции Трансферазы Перенос отдельных групп атомов от донорной молекулы к акцепторной молекуле Гидролазы Гидролитическое (с участием воды) расщепление связей Лиазы Расщепление связей способом, отличным от гидролиза или окисления Изомеразы Взаимопревращение различных изомеров Лигазы (синтетазы) Образование связей в реакции конденсации двух различных соединений (используется энергия АТР) 15 ФЕРМЕНТЫ Простые Сложные ( Однокомпонентные) (Двухкомпонентные) Построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты КОФАКТОРЫ Ионы металлов Коферменты (Органические вещества) НЕКОТОРЫЕМЕТАЛЛОЗАВИСИМЫЕФЕРМЕНТЫ Фермент Ион металла Функция иона металла Гексокиназа Пируваткиназа Пируваткарбоксилаза Амилаза Транскетолаза Супероксиддисмутаза Карбоксипептидаза А Аргиназа ММ, К + 4Mn 2+ Са 2+ (С) Са 2+ 2Zn 2+ ,2 Сu 2+ Zn 2+ 4Mn 2+ Связывание субстрата Связывание субстрата и катализ Катализ Стабилизация третичной структуры Стабилизация четвертичной структуры Катализ Катализ Связывание субстрата и катализ КОФЕРМЕНТЫИВИТАМИНЫ, ВХОДЯЩИЕВИХСОСТАВ Витамин Коферментная форма Тип катализируемой реакции Водорастворимые витамины Тиамин (В) Тиаминпирофосфат Декарбоксилирование α - кетокислот Рибофлавин В) Флавинмононуклеотид, флавинадениндинуклео- тид Окислительно- восстановительные реакции Состоят из белковой части – апофермента и небелковой части – кофактора Апофермент + кофактор = Холофермент 16 Никотиновая кислота Никотинамидаденинди- нуклеотид, никотинами- дадениндинуклеотид- фосфат Окислительно-восста- новительные реакции Пантотеновая кислота Кофермент (коэнзим) А Перенос ацильных групп Пиридоксин В) Пиридоксальфосфат Перенос аминогрупп Биотин Биотицин Перенос СО 2 Фолиевая кислота Тетрагидрофолат Перенос одноуглерод- ных групп Витамин В 12 Дезоксиаденозилкобала- мин Перенос связанного с углеродом атома водорода на соседний атом углерода Аскорбиновая кислота С) Неизвестна Реакции гидроксилиро- вания Жирорастворимые витамины Витамин А Ретиналь Зрительный процесс Витамин D 1,25- Дигидроксихоле- кальциферол Регуляция обмена Ca Витамин Е Неизвестна Защита мембранных липидов Витамин К Неизвестна Реакции декарбоксилирования КОФЕРМЕНТНЫЕФОРМЫРИБОФЛАВИНА — флавинмононуклеотид FMN (слева) и флавинадениндинуклеотид FAD (справа) N N NH N C H 2 O O H 3 C H 3 C C HO H C HO H C HO H C H 2 O P O P O O O O N N NH 2 N N O O H O H H H H H O C H 2 N N NH N CH 2 O O H 3 C H 3 C CHOH CHOH CHOH CH 2 OPO 3 Циклическая изоаллаксазиновая система Остаток рибозы МЕХАНИЗМПЕРЕНОСААТОМОВВОДОРОДАФЛАВИНОВЫМИ ФЕРМЕНТАМИ N N NH N R O O H 3 C H 3 C N N NH N R O O H 3 C H 3 C H H X H H + X ′ + НИКОТИНАМИД (ВИТАМИНРР) ИЕГОКОФЕРМЕНТНЫЕФОРМЫ CONH 2 N O CONH 2 N O OH OH H H H H CH 2 P O P O N N NH 2 N N O OH OR H H H H CH 2 O O O O COOH N Никотинамид Никотинамидадениндинуклеотид NAD + (R = H) Никотинамидадениндинуклеотидфосфат NADP + (R = PO 3 Никотиновая кислота МЕХАНИЗМПЕРЕНОСАГИДРИД-ИОНА CO NH 2 N R CO Один из атомов водорода субстрата отщепляется с двумя электронами связи ив виде гидрид-иона (Н) переносится на окисленную форму коферменты NAD + 18 ПРИМЕРФЕРМЕНТАТИВНОГООКИСЛЕНИЯ L- Малат Оксалоацетат Мала т д е г и д роге наз а+++Ферментативное окисление малата до оксалоацетата с помощью зависимой малатдегидрогеназы. МЕХАНИЗМДЕЙСТВИЯФЕРМЕНТОВ Первоначальным событием при действии фермента является его специфическое связывание с лигандом - субстратом (S). Это происходит в области активного центра, который формируется из нескольких специфических R- групп аминокислот, определенным образом ориентированных в пространстве. Ферментативная реакция - это многостадийный процесс. На первом этапе устанавливается индуцированное комплементарное соответствие между ферментом и субстратом. В результате образуется фермент-субстратный комплекс (Ев котором далее происходит химическое превращение субстрата, в результате чего образуется продукт, комплементарность снижается. После диссоциации продукта фермент возвращается в исходное состояние. Механизм действия и конформация активного центра пищеварительного фермента эластазы ( сериновой протеазы, осуществляющего гидролиз полипептидов NH CH C O NH CH C O R'' R' NH CH C O O R' H 3 N CH На первой стадии карбонильная группа расщепляемого пептида атакуется кислородом гидроксигруппы серина. Соседство с протонированным имидазольным кольцом гистидина, протонирование которого обеспечивается близким расположением карбоксильной группы остатка аспарагиновой кислоты, существенно повышает стабильность 19 ионизованной формы гидроксила остатка серина за счет электростатической энергии притяжения зарядов. В значительной части молекул фермента этот гидроксил находится в виде аниона, что резко повышает его нуклеофильную активность. На второй стадии катализа промежуточно образовавшийся сложный эфир гидролизуется при действии воды, и активный центр освобождается для проведения следующего акта катализа. H 3 N CH C O R'' NH HN CH 2 C O O CH 2 NH CH C O R' O CH 2 |