Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский государственный университет им. А.М.Горького А.А.Вшивков ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ Учебное пособие Екатеринбург 2008 ПРЕДИСЛОВИЕ Основной задачей современного естествознания является познание живой природы и бесконечного многообразия ее форм. Выполнение этой задачи невозможно без тесного взаимодействия естественных наук – физики, химии, биологии. Подтверждением этого является тот факт, что с внедрением физических методов исследования в химию стало возможным определение химического строения сложнейших химических соединений. С внедрением методов физики и химии биология из описательной науки превратилась в точную, способную описать жизненные процессы на молекулярном уровне. Поэтому появление в Государственном образовательном стандарте подготовки бакалавров по направлению 020100 «Химия» дисциплины «Химические основы жизни» является своевременным и актуальным. В настоящее время трудно представить себе химика занимающегося вопросами синтеза и исследования свойств биологически активных соединений не обладающего знаниями о молекулярных процессах, лежащих в основе жизни. Курс «Химические основы жизни» имеет своей целью формирование у студентов правильного представления об основных химических компонентах клетки, молекулярных основах ферментативного катализа, метаболизма, современном состоянии вопросов взаимосвязи структуры и свойств важнейших типов биомолекул с их биологической функцией. Кроме того, изучение данной дисциплины должно подготовить студентов для дальнейшего самостоятельного изучения молекулярных основ жизни – вопросов наследственности, иммунитета, нейроэндокринной регуляции и фоторецепции, современных концепций о происхождении и сущности жизни. Для того чтобы исследователю познать окружающий мир надо познать те процессы, которые происходят внутри человека. Успешное освоение дисциплины «Химические основы жизни» невозможно без знаний полученных на предыдущих этапах обучения, без знаний фундаментальных курсов «Неорганическая химия», «Аналитическая химия», «Физическая химия», «Органическая химия», «Коллоидная химия», «Химия высокомолекулярных соединений». Перед автором настоящего пособия стояли две главные цели: во-первых, дать общую информацию о современном состоянии биохимии; во-вторых, показать значение химических основ жизни для естественной физикохимической базы химии, биологических наук и медицины в аспекте функционирования клеточных структур, биомембран, объяснения действия биологически активных веществ, научной основы очистки воды и атмосферы. Вся информация, содержащаяся в настоящем пособии, изложена в семи частях, которые включают в себя 16 глав. Основному материалу книги предшествует Предисловие, а завершается пособие Заключением. Предисловие освещает цель и задачи дисциплины «Химические основы жизни». Часть 1 – «Основные положения биоэнергетики» (главы 1–3) – содержит сведения об особенности термодинамики биохимических процессов, о ферментативном катализе, о анаболизме и катаболизме как составных частях метаболизма. В части 2 – «Структура белков и клеточных мембран» (главы 4 и 5) – рассматриваются вопросы строения и функционирования основной группы биомолекул – аминокислот, белков и построенных на их основе клеточных мембран. Часть 3 – «Катаболизм» (главы 6–8) —дает представления о переваривании и всасывании пищевых молекул, механизме транспорта, хранения и мобилизации пищевых молекул, получении энергии из пищи. Часть 4 – «Анаболизм» (главы 9 и 10) посвящена рассмотрению механизмов биосинтеза глюкозы и жиров. Часть 5 – «Метаболизм аминокислот» (глава 11 и 12) содержит сведения о катаболизме и анаболизме аминокислот. Часть 6 – «Фотосинтез» (главы 13 и 14) посвящена химическим процессам, происходящим при фотосинтезе. И, наконец, в части 7 «Хранение и переработка информации» (главы 15 и 16) рассматривается строение нуклеиновых кислот, репликация ДНК, транскрипция РНК и трансляция белка. В Заключении подчеркивается о том, что существуют различные пути проявления взаимосвязи в процессах обмена веществ: наличие общих предшественников и промежуточных метаболитов, сходное энергетическое обеспечение, общие конечные пути окисления и образование похожих конечных продуктов, а также общие пути регуляции этих процессов. После каждой главы приводятся вопросы для самоконтроля, работа над которыми способствует более качественному усвоению студентами материала дисциплины. Эту же цель преследуют и ответы, которые приведены в конце книги. Завершается пособие списком рекомендованной литературы. Для наглядности и полноты изложения автор снабдил учебное пособие большим количеством формул, рисунков, схем и таблиц, частично разработанных им самим, а частично заимствованных из других источников, но переработанных и упрощенных. При создании пособия автор – профессор кафедры органической химии Уральского государственного университета им. А.М. Горького использовал свой многолетний опыт преподавания учебных курсов «Органическая химия», «Материаловедение», «Стереохимия органических соединений», «Косметическая химия», «Прикладная химия», «История и методология химии». Автор будет благодарен читателям за любые замечания и предложения, которые послужат основой для совершенствования учебного пособия. Замечания и предложения [email protected]. можно присылать по электронной почте Часть 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ Биоэнергетика- раздел биохимии, задачей которого является изучение механизмов и закономерностей преобразования энергии в живых организмах. Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Жизнь – сложнейший химический процесс, включающий множество реакций. Эти реакции называют метаболическими или обобщенно метаболизмом. Рассмотрение любой биохимической реакции основано на представлении об энергии и законов может быть охарактеризовано с использованием основных химической термодинамики. Применительно к биологическим системам 1 закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: в живой природе при осуществлении различных биохимических процессов общее количество энергии остается постоянным. Для того чтобы понять, сможет ли эта реакция сколько-нибудь заметно протекать и в какой мере она будет уравновешена обратной реакций, недостаточно записать ее в виде химического уравнения, необходимо иметь сведения о происходящих в этой реакции изменениях химической энергии. Что подразумевается под изменением энергии молекул, участвующих в химических реакциях? В каждой из реагирующих молекул заключено некоторое количество энергии, определяемое ее структурой. Эта энергия представляется как теплосодержание или энтальпия молекулы. Когда структура молекулы меняется в ходе химической реакции, изменение ее энергии описывается как изменение энтальпии ∆H. Оно может быть отрицательным (теплота теряется молекулами и рассеивается, увеличивая температуру окружающей среды) или положительным (теплота поглощается из окружающей среды, которая при этом охлаждается). Знак изменения энтальпии не определяет жестко направление процесса, а лишь показывает, что этот фактор либо способствует ему, либо препятствует. Пойдет ли данная реакция зависит не только от изменения энтальпии, но также и от изменения энтропии ∆S химической системы. Энтропия определяется как степень неупорядоченности. Чем легче происходит любое движение молекулы (колебание, вращение), чем в большей степени молекулы рассеяны в пространстве, чем больше изменяется число молекул в результате реакции, тем больше совокупная неупорядоченность, тем больше энтропия. Таким образом, при решении вопроса пойдет ли химическая реакция необходимо учитывать как ∆H, так и ∆S. Если -∆H и +∆S то реакция пойдет, при +∆H и -∆S реакция не пойдет, если же изменение энтальпии и энтропии имеют одинаковые знаки, то их влияние противоположно, и вопрос решается сравнением их величин. Сравнение изменений энтальпии и энтропии, которые могут быть союзниками или противниками, при оценке возможности протекания реакции крайне неудобно, поскольку они имеют различную размерность. Кроме того, в биологических системах затруднительно или невозможно прямое измерение энтропии. Проблема решается благодаря предложенному Гиббсом понятию свободная энергия, которая объединяет оба рассмотренных понятия – энтальпию и энтропию. Изменение свободной энергии ∆G описывается уравнением ∆G = ∆H -T∆S (где T – абсолютная температура) и представляет собой максимальное значение энергии, которое доступно для совершения полезной работы (мышечное сокращение, химический синтез в клетках, преодоление осмотических или электрических сил) за счет химической реакции. Величину ∆G выражают в джоулях (Дж) на моль. Применительно к биохимическим процессам, используя 2 закон термодинамики, можно сформулировать общее правило: биохимическая реакция протекает в условиях, когда свободная энергия продуктов меньше, чем исходных веществ, т.е. ∆G<0. На практике используют стандартное изменение свободной энергии ∆G0 реакции, протекающей в следующих стандартных условиях: концентрация компонентов реакции 1 моль/л, температура 298 0K, давлении 101,325 кПа и pH среды 7,0. Значение имеет не только знак изменения свободной энергии, но и ее величина. В зависимости от величины изменения свободной энергии биохимические реакции могут быть обратимыми и необратимыми. При незначительном изменении свободной энергии реакции могут быть обратимыми, причем их направление зависит от небольших изменений концентраций метаболитов (участников биохимических реакций). Если изменения свободной энергии значительны, то метаболические реакции идут в одном направлении и протекают до полного завершения. Основные биохимические реакции обычно включают не одну, а много последовательно протекающих реакций, объединенных в так называемые метаболические пути. Общим свойством метаболических путей является их необратимость. Это не означает, что все реакции метаболического пути необратимы. По меньшей мере, одна реакция не протекает в обратном направлении. А Б В Г продукты В приведенном метаболическом пути одиночной стрелкой помечена необратимая реакция с большим значением ∆G. Метаболический путь, в котором все реакции обратимы А Б В Г продукты имеет существенный недостаток – он подчиняется закону действующих масс. Если концентрация А возрастает (вы позавтракали), равновесие сдвигается вправо и возрастает концентрация конечных продуктов. Напротив при уменьшении концентрации А (вы испытываете голод) некоторые продукты будут превращаться в исходные вещества. Если речь идет о биосинтезе ДНК генов или белков, то становится понятным неприемлемость этого варианта. При интенсивной работе мышц полисахарид гликоген в серии химических реакций превращается в молочную кислоту, а при последующем отдыхе он вновь синтезируется из молочной кислоты, причем не в результате простого обращения реакции, а иным путем, т.е. прямая и обратная реакции не совпадают. А В Б Г молочная кислота гликоген Ж Е Д Рис. 1.1 Необратимость прямой и обратной реакции На основании вышесказанного можно сформулировать общий биохимический принцип. Всякий раз, когда суммарный химический процесс, характерный для данного метаболического пути, должен быть физиологически обратимым, прямая и обратная траектории не совпадают полностью и обязательно содержат хотя бы пару различающихся по своей природе необратимых реакций.. Несовпадение прямой и обратной реакции позволяет контролировать метаболизм. Чтобы независимо управлять обоими процессами (см. схему 1.1) т.е. включать один и выключать другой, они должны различаться. Иначе их можно включать и выключать только одновременно. Как правило необратимые реакции метаболизма (реакции А Б и Д Е) являются местом приложения регуляторных механизмов. Как говорилось выше для протекания химической реакции необходимо уменьшение свободной энергии. Однако это не означает, что реакция пойдет с ощутимой скоростью. Так, например, реакция взаимодействия сахара с кислородом C12H22O11 + 12O2 → 12CO2 +11H2O очень выгодна, однако сахар устойчив в сахарнице. Попадая же в наш организм, он быстро окисляется. Поэтому важно не только понижение свободной энергии, но и преодоление энергетического барьера, определяемого энергией активации, а это происходит с помощью ферментативного катализа. Вопросы для самоконтроля к главе 1 1. Представьте себе мужчину весом 70 кг, питание которого позволяет удовлетворить его энергетические затраты - 10 000 кДж в день. Допустим, что свободная энергия, которую он получает с пищей, используется для образования АТР из АDР и Рi с эффективностью 50%. В клетке ∆Go превращения АDР + Рi приблизительно равно 55 кДж·моль-1. Вычислите, cколько весит АТР, синтезируемый этим человеком за один день (количество выразить в граммах динатриевой соли АТР с молекулярной массой 551). 2.Чем различаются понятия свободной химической энергии, определенной в стандартных и физиологических условиях? Рассчитайте изменение свободной энергии в физиологических условиях при гидролизе ATP до ADP и фосфата при концентрации участников равной 1 мМ. 3. Диссоциация фосфорной кислоты описывается тремя pKa: 2,2; 7,2; 12,3. а) какая из ионных форм доминирует при pH 4, pH 9 и pH 14? б) вычислите pH водного раствора эквимолярной смеси NaH2PO4 и Na2HPO4 Глава 2. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ Химические реакции в биологических системах протекают только в присутствии катализаторов. Роль таких катализаторов выполняют специфические белки, называемые ферментами (от лат.fermentum-закваска) или энзимами (от греч.en zyme - в дрожжах). Реакция S → P (рис.2.1) сопровождается уменьшением свободной энергии, иначе она бы вообще не произошла. В переходном состоянии S‡ молекула обладает большей свободной энергией, чем в исходном S, поэтому положительное изменение свободной энергии при превращении S → S‡ называется энергией активации для данной реакции. Энергетический горб служит барьером на пути химической реакции. Без него энергетический профиль отражал бы непрерывное падение свободной энергии на пути S к P, и все вещества, способные вступать в реакции, сразу бы в них вступили. Действие же ферментов сводятся к ускорению химических реакций путем понижения энергии активации. S Обычная реакция Энергии активации Свободная энергия S S Ферментативная реакция P Координаты реакции Рис.2.1 Энергетические профили обычной и ферментативной реакций (S-субстрат; S‡ - переходное состояние; P- продукт) Ферменты обладают уникальными свойствами. Во-первых, это самые эффективные из всех известных катализаторов: в присутствии ферментов большинство реакций в клетке протекает примерно в миллион раз быстрее, чем в их отсутствие. Во-вторых, большинство ферментов отличаются специфичностью действия, и практически каждая реакция катализируется специальным ферментом. В-третьих, - и это самое замечательное свойство действие большинства ферментов регулируется, т.е. они способны переходить из состояния с низкой активностью в состояние с высокой активностью и обратно. Такие механизмы регуляции представляют собой сложную систему, с помощью которой организм контролирует все свои функции. Традиционно все названия ферментов отражают их функцию и в простейшем случае фермент именуют или по субстрату, или по реакции, добавляя окончание "аза", например, декарбоксилаза, гидролаза. Некоторые ферменты получили традиционные названия, не связанные с их функцией, например трипсин, пепсин, лизоцим. Современная номенклатура и классификация ферментов основана на типах реакций, которые они катализируют. Все ферменты разделены на шесть классов (табл.1.1) и закодированы четырьмя цифрами, где первая цифра обозначает класс, вторая цифра - подкласс, третья - возможный кофермент, четвертая - субстрат реакции. На примере глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназы КФ 1.2.1.12 надо прочитать так: КФ - Комиссия по ферментам (была создана при IUPAC в 70-е годы XX в.); 1 - фермент относится к классу 1 (оксиредуктазы); 2 – донором электронов для фермента служит альдегидная группа субстрата; 1 – акцептором электронов является NADP+; 12 – химическая природа субстрата (в соответствии с официальной номенклатурой ферментов 1992 IUBMB) Таблица 2.1 Основные классы и подклассы ферментов Класс Оксидоредуктазы Трансферазы Гидролазы Лиазы Реакции Основные подклассы, группы ОкислительноДегидрогеназы, восстановительные реакции оксидазы, редуктазы, А восст.+Бокисл.→ А окисл. + Б восст. гидроксилазы Перенос групп Киназы (перенос фосфатных групп), А-В + С → А + В-С трансаминазы (перенос аминогрупп) Гидролиз связей (эфирных, Эстеразы, фосфатазы, пептидных, гликозидных, C-C, протеазы, липазы, P-N) нуклеазы, тиолазы А-Б + H2O → А- H+-Б-OH фумаразы, Разрыв связей C-C, C-O, C-N, C- Альдолазы, S путем элиминирования енолазы, декарбоксилазы молекулы с образованием двойных связей. В обратной реакции ускоряют присоединение воды, аммиака и т.д. по двойной связи: А(XH)-Б → А-X + Б-H Изомеразы Лигазы Взаимопревращения изомеров Изомеразы, мутазы А → изоА Соединение двух молекул, Карбоксилазы, синтетазы сопряженное с гидролизом ATP А + Б + ATP→ А – Б + ADP + Pi Высокая биологическая активность ферментов в первую очередь определяется характерными свойствами образующих их белков. Ферментативной активностью могут обладать как простые, так и сложные белки. Первые состоят только из полипептидных цепей и гидролизуются до аминокислот (примерами могут служить ферменты пепсин, трипсин, уреаза и т. д.). Вторая группа ферментов представлена сложными белками, для проявления каталитической активности которых требуется присутствие веществ небелковой природы — простетических групп. Простатические группы ферментов, являющихся по химической природе сложными белками, называются кофакторами. Различают две группы кофакторов: ионы металлов (а также некоторые неорганические анионы) и коферменты, представляющие собой органические вещества. Примерно треть из всех известных в настоящее время ферментов активируется ионами металлов, они так и называются ферменты, комплексы отличаются большей активируемые ионами металлов. Другие металлоферментные стабильностью, т. е. сохраняют ион металла при выделении и очистке (металлоферменты). В роли кофакторов ферментов могут выступать различные по природе ионы металлов. Если в качестве кофермента выступает органическое соединение, то фермент называют холоферментом, а его белковую часть — апоферментом. Реакция образования холофермента обратима: Кофермент + Апофермент Холофермент. Многие коферменты являются производными витаминов — незаменимых пищевых факторов. Витамины и другие коферменты в качестве жизненно необходимых соединений входят в состав компонентов пищи и, как правило, не синтезируются (или синтезируются в недостаточных количествах) в организмах (по крайней мере, в организмах высших животных). Основные свойства ферментов как биокатализаторов таковы: 1. Зависимость эффективности катализа от температуры (оптимум при 3040 °С) (рис.2.2 а). 2. Зависимость эффективности катализа от рН среды (каждый фермент имеет свой рН-оптимум) (рис.2.2 б). Рис.2.2 Влияние температуры (а) и pH (б) на активность ферментов: а- резкое падение активности при высоких температурах связано с денатурацией фермента; б - кривая для сахаразы с максимумом при физиологическом значении pH характерна для большинства ферментов, кривая с максимумом при pH=2 показывает, что пепсин функционирует в сильно кислом содержимом желудка 3. Специфичность действия ферментов: - абсолютная - катализируют превращение только одного субстрата (аргиназа, АТФаза) - групповая - действуют на группу субстратов или связей (трипсин, химотрипсин, эстеразы жиров) - относительная, или широкая - действуют на большое число групп субстратов или связей (пепсин, папаин). 4. Образование активного центра (АЦ). Активным центром называют совокупность остатков аминокислот, расположенных в молекуле фермента определенным образом, так, что именно эти аминокислоты участвуют в связывании субстрата и образовании продукта реакции. В активном центре различают участок связывания и каталитический участок. В образование активного центра могут быть вовлечены даже очень отдаленно расположенные в полипептидной цепи аминокислоты, связанные нековалентными связями: водородными, ионными, диполь-дипольными. Их энергия не более 4-40 кДж/моль, но таких связей в молекуле фермента очень много, и они играют решающую роль в механизме действия ферментов. Собственно активный центр помещается в гидрофобном углублении "щели" или "кармане", где возникает микроокружение для субстрата и максимальная местная концентрация субстрата и фермента, создаются условия для их сближения и ориентации, необходимые для катализа. Условие для образования АЦ - наличие третичной структуры белка, следствием является образование фермент-субстратного комплекса. Взаимодействие фермента и субстрата в реакции E+S ES EP → E + P1 + P2 (где E – фермент; S – субстрат; ES и EP – соответственно комплексы фермента с субстратом и продуктом ферментативной реакции; P1 и P2 - продукты ферментативной реакции) описывается моделью «ключ-замок» (рис 2.3 а), в рамках которой субстрат должен приспосабливаться к жесткому активному центру. В модели «индуцируемой приспособляемости фермента к субстрату» (рис 2.3 б) активный центр фермента достаточно гибок и может изменять свою конформацию при связывании субстрата. Рис. 2.3 Взаимодействие субстрата (S) и фермента (E) а – модель «ключ-замок»; б - модель «индуцируемой приспособляемости фермента к субстрату» В 1973 г. была введена единица ферментативной активности — катал (кат). Она соответствует количеству фермента, способного превращать 1 моль субстрата за 1 с. Международная единица ферментативной активности (МЕ) связана с каталом следующим образом: 1 кат = 1 моль субстрата/с = 60 моль/мин = 60 ·106мкмоль/мин = 6 · 107МЕ. Ингибирование ферментов представляет большой практический интерес для понимания механизмов ферментативного катализа, строения активных центров ферментов и является инструментом изучения роли отдельных химических реакций при расшифровке механизма действия различных ингибиторов, например лекарственных препаратов, ядохимикатов и др. Следует различать смысл терминов «ингибитор» и «инактиватор».Об «инактивации» правильнее говорить в случае торможения реакции действием агентов, денатурирующих фермент. Процесс ингибирования ферментов может носить как обратимый, так и необратимый характер. При необратимом ингибировании ингибитор настолько прочно связывается с ферментом, что это вызывает стойкие (необратимые) изменения его активности. Примером необратимого ингибирования может служить действие нервно-паралитических ядов на ацетилхолинэстеразу, играющую важную роль в процессах передачи нервных импульсов. Например, одно из таких отравляющих веществ-ди-, изопропилфторфосфат - взаимодействует с остатком серина в активном центре фермента с образованием прочного неактивного комплекса ди- изопропилфосфорил — фермент (схема 2.4): H3 C H C CH3 H3 C O O F RCH2OH + фермент ацетилхолинэстераза H 3C P H C CH3 O RCH2O P O + HF O O H3 C CH CH3 диизопропилфторфосфат CH CH3 диизопропилфторфосфорил - фермент Рис. 2.4 Ингибирование ацетилхолинэстеразы 2.1 При обратимом ингибировании равновесие между ингибитором и ферментом устанавливается довольно быстро. Комплекс фермент—обратимый ингибитор довольно лабилен, вследствие чего быстро диссоциирует, при этом активность фермента восстанавливается. Примером обратимого ингибирования является образование молекулярного комплекса оксида углерода СО с гемом гемоглобина, который может быть разрушен введением в организм избытка кислорода. Вопросы для самоконтроля к главе 2. 1.Какой вывод относительно характера активных участков α- химотрипсина можно сделать на основании того факта, что отрицательно заряженные ингибиторы менее эффективны при подавлении каталитической активности этого фермента, чем нейтральные молекулы со структурой того же типа? 2. Протеолитический фермент папаин отличается от α-химотрипсина тем, что в нем цистеин (или его лабильное производное) входит в состав активного центра. Фермент дезактивируется соединениями, образующими комплексы с группами — SH или реагирующими с ними; активность восстанавливается в результате реакций, которые должны приводить к регенерации SH -групп. Предложите схематический механизм разрыва пептидной цепи при действии папаина, соответствующий гипотезе, согласно которой папаин, хотя он может и не содержать свободных SH -групп, легко реагирует с ионом Hg2+, образуя соединение типа RSНgX. Одна из наиболее интересных особенностей папаина состоит в том, что в нем более чем 100 из общего числа аминокислот, равного 185, может быть отщеплено с помощью аминопептидазы, но остающийся фрагмент все еще обладает значительной ферментативной активностью. 3. Приведите схему, согласно которой гидролитический фермент может быть использован для разделения D,L-аланина. 4. Как ферменты катализируют химические реакции? Глава 3. АНАБОЛИЗМ И КАТАБОЛИЗМ КАК СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МЕТАБОЛИЗМА Для дальнейшего рассмотрения биоэнергетики необходимо дать представления о таких важных с энергетической точки зрения соединениях как фосфорная кислота, нуклеозиды и нуклеотиды 3.1. Фосфорная кислота Фосфорная кислота H3PO4 является трехосновной кислотой и диссоциирует по следующей схеме (рис. 3.1): O HO P OH O OH HO pKa1=2,2 P O O OH HO pKa2=7,2 P O O O O pKa3=12,3 P O O Pi G=0 Рис. 3.1 Диссоциация фосфорной кислоты При физиологических значениях pH фосфорная кислота в растворе представлена главным образом одно- и двухзарядными анионами, равновесная смесь которых обозначают как Pi (i- от анг. inorganic). Смесь анионов Pi соответствует самому низкому уровню свободной энергии. Следует напомнить, что под pKa понимают такое значение pH, при котором в диссоциированном состоянии находится половина соответствующих групп. 3.2. Нуклеозиды и нуклеотиды Нуклеозиды – природные гликозиды гетероциклических азотистых оснований (пиримидиновых и пуриновых), которые связаны с пентозами через атом азота (табл.3.1). В зависимости от природы углеводного остатка (пентозы) различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды (рис.3.2). Таблица 3.1 Гетероциклические азотистые основания и пентозы, входящие в состав нуклеозидов и нуклеотидов Пуриновые основания NH2 O N N N N H NH N H N аденин (Ade) N NH2 гуанин (Gua) Пиримидиновые основания O NH2 NH N NH O N H O N H O цитозин (Cyt) N H O Тимин (Thy) урацил (Ura) пентозы HO OH HO OH O O H H OH OH H Названия H OH H H H β-D-рибоза H H β-D-2-дезоксирибоза нуклеозидов производятся от тривиального названия соответствующего гетероциклического азотистого основания с суффиксом – идин у пиримидиновых и –озин у пуриновых нуклеозидов. Исключение из этого правила сделано для нуклеозидов тимина (табл.3.2). NH2 N O O P P O O N O O O O P N O N O O H H OH OH H H аденозин(нуклеозид) аденозин-5/-монофосфат(АМФ или англ.AMP) нуклеотиды аденозин-5/-дифосфат(АДФ или англ.ADP) аденозин-5/-трифосфат(АТФ или англ.ATP) Рис 3.2. Химическое строение нуклеозидов и нуклеотидов Нуклеозиды, слабощелочной являясь среде, но N-гликозидами, расщепляются в устойчивы к гидролизу кислой среде. в Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые – труднее. Нуклеотиды являются сложными эфирами нуклеозидов и фосфорной кислоты, которая обычно этерифицирует оксигруппу при C-5' пентозы. В связи с наличием в молекуле остатка фосфорной кислоты нуклеотиды проявляютсвойства двухосновной кислоты c pKa1=0,9-1,5 и pKa2=6,0-6,5. Нуклеотиды называют как соли с указанием положения фосфатного остатка (табл.3.2). Таблица 3.2 Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов Азотистые основания Нуклеозид Нуклеотид Аденин Аденозин (A) Аденозинмоно(ди-, Сокращенное обозначение нуклеотидов AMP,ADP,ATP три-)фосфат Дезоксиадено зин (dA) Гуанин Гуанозин (G) Гуанозин моно(ди-, GMP,GDP,GTP три-)фосфат Дезоксигуано зин(dG) Цитозин Цитидин (C) Цитидинмоно(ди-, CMP,CDP,CTP три-)фосфат Дезоксицитид ин (dC) Урацил Уридин (U) Уридинмоно(ди-, UMP,UDP,UTP три-)фосфат Дезоксиуриди н (dU) Тимин Риботимидин Тимидин моно(ди-, (T) три-)фосфат Тимидин (dT) TMP,TDP,TTP 3.3 Цикл переноса энергии Из материала главы 1 следует, что синтез в живом организме таких высокомолекулярных соединений как белки и ДНК из низкомолекулярных должен происходить со значительным увеличением свободной энергии. Поэтому этот синтез не может происходить спонтанно, т.е. без внешнего источника свободной энергии (процесса окисления пищевых молекул). Совокупность синтетических реакций, протекающих с положительным изменением свободной энергии, называются анаболитическими, или анаболизмом. Совокупность деструктивных реакций , протекающих с уменьшением свободной энергии называются катаболитическими или катаболизмом. Это две составные части метаболизма неразрывно связанные друг с другом, т.к. в результате катаболизма высвобождается свободная энергия, которая используется для осуществления анаболизма. Катаболитические реакции, которые протекают самопроизвольно за счет уменьшения свободной энергии называются экзоэргоническими. Несамопроизвольные анаболитические реакции, которые сопровождаются увеличением свободной энергии и поэтому их протекание невозможно без подвода энергии – эндоэргоническими. Низкомолекулярные соединения в живой клетке могут превратиться в высокомолекулярные, даже если для этого превращения характерна бóльшая стандартная свободная энергия и требуется приток энергии извне. Указанное превращение может протекать как последовательность отдельных химических реакций, каждая из которых имеет отрицательное значение ∆G.При этом ∆G., характеризующее процесс в целом, оказывается также отрицательным. Пояснением этому служит рис. 3.3, описывающий в общем виде энергетический цикл жизни. В результате окисления пищевых молекул (катаболизм) высвобождается энергия, которая используется для проведения в действие энергетически невыгодных процессов (анаболизм). При этом для всей системы в целом (клетка и окружающая среда) выполняется 2 закон термодинамики. Продукты окисления пищевых молекул поступают на фотосинтез, где из углекислого газа и воды под действием солнечного света синтезируются новые пищевые молекулы (глюкоза). пищевые молекулы шкала свободной энергии O2 химическая энергия фотосинтез энергия света упорядоченные макромолекулы в клетке низкомолекулярные неупорядоченные молекулы в окружающей среде CO2+H2O катаболизм анаболиз Рис. 3.3 Энергетический цикл жизни Далее выделяющаяся в катаболизме энергия должна приниматься общим энергетическим интермедиатом и доставляться туда, где требуется энергия, где должна совершаться работа. Что представляет из себя энергетический интермедиат? Таким энергетическим интермедиатом, универсальным для всех форм земной жизни, являются фосфорильные группы молекул так называемых макроэргических фосфатных органических соединений. Указанные фосфорильные же группы образуются при распаде пищевых молекул из неорганических фосфатных ионов. Энергия, запасенная в химических связях фосфорильных групп транспортируется туда, где нужно совершить работу. Такая работа совершается за счет энергии выделяющейся при обратном фосфатные превращении ионы фосфорильных (рис.3.4). При групп этом в неорганические обратное превращение фосфорильных групп нельзя рассматривать как обычный гидролиз, при котором вся выделяющаяся энергия превращается в бесполезное тепло. пищевые молекулы шкала свободной энергии O2 химическая энергия фотосинтез энергия света перенос внутри клетки к месту выполнения работы биологическая Pi Pi работа CO2+H2O Pi Pi перенос внутри клетки к месту выработки энергии катаболизм анаболиз химическая, электрическая, осмотическая, механическая Рис. 3.4 Участие фосфорильных групп в энергетике клетки Pi -фосфорильная группа молекул, гидролиз которых приводит к отщеплению Pi и сопровождается выделением более чем 30 кДж·моль-1 Макроэргические фосфатные органические соединения, содержащие фосфорильные группы можно разделить на две группы: -низкоэнергетические фосфаты при их гидролизе до неорганического фосфата (Pi) отрицательное изменение свободной энергии ∆Go лежит в пределах 9-20 кДж·моль-1. К низкоэнергетическим фосфатам относятся фосфоэфиры (рис. 3.5) O R O P O O + H2 O R GO= - 12,5 кДж моль-1 O фосфоэфир OH + спирт HO P O O неорганический фосфат (Pi) Рис. 3.5 Гидролиз фосфоэфиров Величина ∆Go показывает, что равновесие реакции сильно сдвинуто вправо и обратная реакция внутри клеток не происходит. -высокоэнергетические (макроэргические), -1 превышает 30 кДж·моль . К высокоэнергетическим фосфатам относятся: у которых ∆Go пирофосфат (рис. 3.6) HO P O O O P O O GO= - 33,5 кДж моль-1 O O неорганический пирофосфат (PPi) P 2 HO + H2O O +H O неорганический фосфат (Pi) Рис. 3.6 Гидролиз пирофосфата Столь значительное высвобождение энергии при гидролизе пирофосфата обусловлено резонансной стабилизацией неорганического фосфата (рис. 3.7). Кроме того, структура пирофосфата дестабилизирована электростатическим отталкиванием двух отрицательно заряженных фосфорильных групп. 1/4 O O P HO 1/4 O O P 1/4 O O 1/4 O Рис. 3.7 Резонансная стабилизация неорганического фосфата ацетилфосфат (рис. 3.8) O R C O P O O + H 2O O O O ацетилфосфат (ангидрид) 1/2 G = - 43 кДж моль ..... C .....O1/2 + HO O P O +H -1 R карбоксилат- анион O неорганический фосфат (Pi) Рис. 3.8 Гидролиз ацетилфосфата Столь большое значение ∆Go объясняется резонансной стабилизацией обоих продуктов гидролиза Pi и карбоксилат-аниона гуанидинофосфат при гидролизе дает значительное понижение ∆Go вследствие резонансной стабилизации обоих продуктов гидролиза (рис. 3.9). O O 1/3 H2N P NH C O ......C ......1/3 NH GO= - 43 кДж моль-1 O NH H2N + H2O 1/3 O O неорганический фосфат (Pi) NH R R гуанидинофосфат P 2 + HO Схема 3.6 Гидролиз гуанидинфосфата енолфосфаты группы при гидролитическом отщеплении фосфатной образуют енольную форму пирувата, которая спонтанно таутомеризуется в кетоформу. Кетоформа и неорганический фосфат также резонансно стабилизированы. Равновесие сдвинуто вправо, благодаря чему суммарный процесс протекает с ∆Go= -61,9 кДж·моль-1 (рис. 3.10) CH2 C O O C O P O CH2 O + H2O C GO= - 61,9 кДж моль-1 O O OH C O O + HO P O O неорганический фосфат (Pi) неустойчив фосфоенопируват CH3 C O C O O устойчив Схема 3.10 Гидролиз енолфосфата В таблице 3.3 приведены энергетические характеристики гидролиза некоторых фосфатов. Следует заметить, что в клетке реальные значения ∆Gф для всех фосфатов гораздо концентрации больше участников стандартной реакции величины существенно ∆Go, поскольку меньше 1М. В дальнейшем мы еще не раз будем встречаться с различными фосфатами и обсуждать свойственные им значения ∆Go. Таблица 3.3 Свободная энергия гидролиза некоторых высокоэнергетических и низкоэнергетических соединений в стандартных (∆Go) и физиологических (∆Gф) условиях среды (в кДж·моль-1) Соединение Продукты гидролиза -∆Go -∆Gф Высокоэнергетические фосфаты фосфоенолпируват пируват+ Pi 61,7 66,7 1,3-дифосфоглицерат 3-фосфоглицерат+ Pi 49,2 41,7 креатинфосфат креатин+ Pi 42,5 - ATP ADP+ Pi 30,4 50,0 ацетил-КоА ацетат+HSKoA 30,4 - ADP AMP+ Pi 30,4 50,0 HP2O73- 2 Pi 33,5 50,0 глюкозо-1-фосфат глюкоза+ Pi 20,8 - Низкоэнергетические фосфаты фруктозо-6 фосфат фруктозы+ Pi 15,8 - AMP аденозин+ Pi 14,1 - глюкозо-6-фосфат глюкоза+ Pi 13,8 23,8 α-глицеролфосфат глицерин+ Pi 9,2 - На рис.3.4 показано, что неорганический фосфат Pi преобразуется в клетке в высокоэнергетическую фосфорильную группу, которая далее транспортируется к месту потребления энергии для совершения работы. Естественно, что такая группа не может существовать самостоятельно, она должна быть частью молекулы (называемой переносчиком фосфорильной группы) и перемещаться вместе с ней. Основными переносчиками фосфорильных групп являются AMP, ADP и ATP (табл.3.2). Аденозинтрифосфат (ATP) гидролизуется с большим отрицательным изменением свободной энергии (табл. 3.3) и этим отличается от AMP, который в цикле переноса энергии выступает лишь как переносчик пирофосфатного остатка. С учетом вышесказанного можно дополнить схему, приведенную на рис.3.4 (см.рис.3.11) пищевые молекулы шкала свободной энергии химическая энергия фотосинтез энергия света O2 CO2+H2O катаболизм перенос внутри клетки к месту выполнения работы ATP биологическая ATP работа химическая, ADP+Pi ADP+Pi электрическая, осмотическая, перенос внутри механическая клетки к месту выработки энергии анаболиз Рис.3.11 Участие ATP в цикле переноса энергии 3.4 Сопряженные реакции Предположим, что в клетке должна пройти реакция X-OH + Y-H → X-Y + H2O, причем ∆Go= 12,4 кДж· моль-1, естественно, что прямая реакция не пойдет, т.к. она является эндоэргоничной и равновесие смещено влево. Проблема решается путем сопряжения указанной реакции с гидролизом ATP. Сопряженные реакции-реакции, в которых продукт одной из них является исходным веществом для другой. Реакция 1: X-OH+AMP-P-P → X-P + AMP-P Реакция 2: X-P + Y-H → X-Y + Pi Суммарная реакция: X-OH+ Y-H+ AMP-P-P → X-Y + AMP-P+ Pi Поскольку ∆Go реакции X-OH + Y-H → X-Y + H2O равно 12,4 кДж· моль–1 , а гидролиз ATP ∆Go составляет -30,4 кДж· моль-1, то результирующее значение ∆Go=-18,0 кДж· моль-1. Это означает, что суммарная реакция сильно экзоэргонична и протекает до полного завершения. Здесь имеет место не прямой гидролиз ATP до ADP и фосфата. Фосфатная группа сначала переносится на молекулу одного из реагирующих компонентов, а затем отщепляется в свободном виде. Вопросы для самоконтроля к главе 3. 1.Окисление глюкозы до углекислого газа и воды протекает с выделением большого количества энергии. Как объяснить тот факт, что глюкоза на воздухе вполне устойчива к окислению? 2. Для реакции X-OH + Y-H → X-Y + H2O ∆Go= 12,4 кДж· моль-1, для реакции ATP+ H2O→ AMP+PPi ∆Go= -32,2 кДж· моль-1 Рассчитайте величину ∆Go для суммарной реакции Реакция 1: X-OH+AMP-P-P → X- AMP + PPi Реакция 2: X- AMP + Y-H → X-Y + AMP Суммарная реакция: X-OH+ Y-H+ AMP-P-P + H2O → X-Y + AMP+ PPi 3. Почему ∆Go реакции ATP→ ADP+Pi и ADP→ AMP+Pi составляет -30,4 кДж· моль-1, тогда как для гидролиза AMP→ аденозин + Pi величина ∆Go=-14,21кДж· моль-1. В чем причина такого большого различия? 4.Окисление глюкозы до диоксида углерода и воды протекает с выделением очень большого количества энергии. Как объяснить тот факт, что глюкоза на воздухе вполне устойчива к окислению? 5.Какие типы слабых связей используются в биологических системах и каковы их энергетические характеристики? Почему для образования этих связей не нужен ферментативный катализ? Каково значение слабых связей? 6.Объясните почему: а) бензол практически не растворяется в воде; б)полярные молекулы глюкозы растворимы в воде; в)хлорид натрия растворим в воде. Часть 2. СТРУКТУРА БЕЛКОВ И КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН Глава 4. СТРУКТУРА БЕЛКОВ Белки – уникальный класс органических соединений, играющих решающую роль во всех процессах жизни. Данный факт подтверждается тем, что белки составляют около 50% сухой массы организмов животных и человека. Поскольку белки построены из L-α-аминокислот, то в первую очередь следует остановиться на особенностях химического строения и физикохимических свойствах этого класса. 4.1. L-α-Аминокислоты α-Аминокислоты рассматриваются как производные карбоновых кислот, в которых карбоксильная и аминогруппы связаны с одним и тем же углеродным атомом (Cα), у которого, кроме того, имеется боковая цепь R. Cα- Атом является асимметрическим (за исключением глицина), он совпадает с хиральным центром и поэтому α-аминокислоты существуют в виде двух оптических изомеров (D-и L-энантиомеров). Встречающиеся в живой природе αаминокислоты, как правило, имеют L-конфигурацию. Такие L-α-аминокислоты (далее – аминокислоты) участвуют в построении молекул пептидов и белков, поэтому называются протеиногенными. Аминокислоты, которые не синтезируются в живом организме из других соединений, называются незаменимыми. Таких аминокислот 8. Кроме того, существуют частично заменимые, условно заменимые и заменимые аминокислоты. Названия, химическое строение, условные обозначения, классификация и некоторые физико-химические свойства протеиногенных таблице 4.1. аминокислот приведены в К структурным особенностям аминокислот относятся: 1) аминокислоты отличаются большим структурным разнообразием, содержат различные функциональные группы, поэтому образуют самые разные связи и прежде всего – пептидную, вследствие чего из аминокислот образованы полипептиды – белки; 2) аминокислоты обладают кислотно-основными свойствами и в зависимости от pH среды имеют положительный или отрицательный заряд или же являются биполярными ионами, т.е. амфотерными соединениями. Будучи заряженными соединениями, аминокислоты образуют в биомолекулах ионные связи; 3) аминокислоты образуют также водородные и гидрофобные связи, поддерживающие сложную структуру белков; 4) специфической ковалентной связью является дисульфидная связь, образуемая цистеином в его димере- цистине. Биологическая роль аминокислот заключается в следующем: 1) аминокислоты способны поддерживать определенные буферные свойства клеточного содержимого, так как они содержат функциональные группы, ионизирующиеся при различных значениях pH. Для расчета значения буферов, образуемых аминокислотами и их солями, надо знать величины pKa функциональных групп аминокислот (табл. 4.1). Расчет pH буфера, образуемого данной аминокислотой, производят по уравнению pH = pKa + lg[основание][кислота] или pH = pKa + lg[соль аминокислоты][аминокислота] Значение pKa в данном случае равно величине pI, т.е. изоэлектрической точке – такому значению pH, при котором суммарный заряд аминокислоты равен нулю. Эту величину находят для аминокислот, не содержащих дополнительных кислотно-основных групп в боковой цепи R, как среднее арифметическое значений pKa функциональных групп аминокислоты. Таблица 4.1 Протеиногенные амнокислоты Кислота Формула Глицин полярность -2,4 Аланин -1,9 ☼Изолейцин -2,2 ☼Метионин -1,5 Цистеин -1,2 pKa (α-NH3+) pKa(R) pI алифатические гидрофобные Gly,G NH CH COO 2,35 9,78 - 6,07 Ala,A 2,35 9,87 - 6,11 Val,V 2,29 9,74 - 6,02 Leu,L 2,33 9,74 - 6,04 Ile,I 2,32 9,76 - 6,04 серосодержащие Met,M 2,13 9,28 - 5,71 1,92 10,70 8,37 5,15 2 CH3 CH COO NH3 CH3 -2,0 -2,3 pKa (α-COOH+) 3 ☼ Валин ☼Лейцин Физико-химические константы Сокращение CH CH COO CH3 NH3 CH3 CH CH2 CH3 CH3 CH2 CH COO NH3 CH CH COO CH3 NH3 CH3S CH2 CH2 CH COO NH3 HS CH2 CH NH3 COO Cys,C ☼Фенилаланин +0,8 CH2 CH ароматические гидрофобные Phe,F 2,20 COO 9,31 - 5,76 Tyr,Y 2,20 9,21 10,46 5,71 Trp,W 2,46 9,41 - 5,94 алифатические гидрофильные Ser,S 2,19 COO 9,21 - 5,70 Thr,T 2,11 9,10 - 5,61 Asn,N 2,14 8,72 - 5,43 Gln,Q 2,17 9,13 - 6,74 NH3 Тирозин CH2 +6,1 CH COO NH3 HO ☼Триптофан CH2 CH COO NH3 NH +5,9 Серин нейтральные +5,1 HO CH2 NH3 ☼Треонин +4,9 CH3 Аспарагин +9,7 H2NOC Глутамин +9,4 CH CH CH OH NH3 CH2 COO CH COO NH3 NH2OC CH2 CH2 CH NH3 COO кислые Аспарагиновая кслота +11,0 Глутаминовая кислота +10,2 Гистидин +10,3 OOC CH2 COO Asp,D 1,99 9,90 3,90 2,95 Gln,E 2,10 9,47 4,07 3,09 His,H 1,80 9,33 6,04 7,69 Lys,K 2,16 9,06 10,54 9,80 Arg,R 1,82 8,99 12,84 10,74 иминокислоты Pro,P 1,95 10,64 - 6,30 NH3 CH2 OOC CH2 CH COO NH3 HN NH основные CH CH2 CH COO NH3 ☼Лизин +15,0 NH3 (CH2)4 CH COO NH3 Аргинин +20,0 NH2 C NH (CH2)3 COO NH3 NH2 Пролин +6,0 CH NH2 COO ☼ - незаменимые кислоты Для аминокислот, содержащих в боковой цепи дополнительные кислотные или основные группы, pI определяется по уравнению pI= pKn+ pKn+1/2 , где n- максимальное число положительных зарядов в полностью протонированной форме аминокислоты. В живых организмах буферные системы служат для контроля pH среды. Физиологические значения pH поддерживают существование аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, липидов и других биомолекул в определенных ионных формах, которые наилучшим образом обеспечивают их структуру, функции и даже растворимость в воде; 2) аминокислоты являются предшественниками очень многих биомолекул – не только белков, но и углеводов, липидных компонентов, гетероциклов, молекулярных регуляторов; 3) важное значение для биохимии имеют гидрофобные свойства боковых цепей аминокислот, поскольку гидрофобные взаимодействия оказывают сильное влияние на формирование и стабилизацию белковых макромолекул; 4) важным свойством аминокислот является также их хелатирующая способность по отношению ко многим ионам металлов. Это свойство играет большую роль в поддержании металло-лигандного баланса в живых организмах. 4.2. Структурная организация белка: от первичной к четвертичной структуре При взаимодействии молекул аминокислот друг с другом амино- и карбоксильными группами (в клетке это происходит не так просто) происходит образование высокомолекулярных соединений – полипептидов(белков), в которых остатки аминокислот связаны пептидными связями (рис. 4.1). Последовательность полипептидную цепь, аминокислот, называется ковалентно первичной связанных структурой в белка. Полипептидная цепь в глобулярных белках может быть свернута в компактную сферическую структуру – глобулу; в отличии от фибриллярных белков, длинные цепи которых вытянуты вдоль одной оси. Белок с исходной, природной укладкой цепи называют нативным, белок с развернутой, беспорядочной укладкой цепи – денатурированным, а превращение нативного белка в денатурированный – денатурацией. аминокислотный остаток полипептидный скелет пептидная связь + NH3 C COO - NH O R R R N-концевой участок R R R C-концевой участок боковые цепи Рис. 4.1 Структура белковой цепи Последовательность аминокислотных остатков имеет большое практическое значение. Так, например, причиной возникновения серповидноклеточной анемии у новорожденных детей является нарушение аминокислотной последовательности белка гемоглобина. Оказалось, что аномальный гемоглобин больных (HbS), в отличие от нормального гемоглобина (HbA) здоровых людей, в шестом положении полипептидной цепи вместо глутаминовой кислоты содержит валин: Номер аминокислотного остатка 1 2 3 4 5 6 7 HbA Val His Leu Thr Pro Glu Val HbS Val His Leu Thr Pro Val Val Вторичная структура белка характеризует форму полипептидной цепи, которая может быть спиралевидной (α-спираль) и складчатой (βскладчатый слой). Пространственное строение наиболее устойчивой правосторонней αспирали можно представить, вообразив, что полипептидная цепь обвивает цилиндр сверху вниз и направо, а ее боковые цепи направлены наружу (рис 4.2). Рис. 4.2 Схематическое изображение полипептидной цепи в виде правой αспирали (примерное расположение водородных связей (штриховая линия) между C=O и N-H) Теоретически можно предположить, что в подобной спирали на один виток приходится целое число аминокислотных остатков. Однако было показано, что на один виток α-спирали приходится 3,67 аминокислотных остатков. Это означает, что группа C=O одной пептидной связи образует водородную связь с группой N-H другой пептидной связи, отстоящей от первой на четыре аминокислотного остатка. C=O- и H-N-связи направлены параллельны оси спирали и попарно противостоят друг другу; такое расположение оптимально для образования водородных связей и, следовательно, для стабилизации α-спирали. В β-складчатом слое C=O- и H-N- группы одной полипептидной цепочки связаны водородными связями с такими же группами соседней, параллельно ориентированной полипептидной цепочки. Образующие складчатый слой полипептидные цепочки могут быть направлены в одном и том же направлении. В этом случае имеют дело с параллельным βскладчатым слоем (рис 4.3 а). Если полипептидные цепочки направлены в противоположные направления – антипараллельным β-складчатым слоем (рис 4.3 б). а HN CH CH O O C N H C H C C O O C N HC O C NH HC C N C NH H CH H C H N C CH CH H O H O N CH HC HC O CH N O O N H HN O HC HC C C N NH HC O б HN N O C Рис. 4.3 Структура β-складчатого слоя (а- участок параллельного слоя , боковые цепи R , прикрепленные к остаткам –CH-, расположены выше и ниже плоскости бумаги; б- участок антипараллельного слоя) Антипараллельность полипептидных цепей создает наиболее благоприятные условия для возникновения между ними водородных связей, в то время как в параллельной β-структуре водородные связи между цепями менее прочны. Те участки полипептидной цепи, которые нельзя отнести ни к αспирали, ни к β-складчатому слою получили называние соединительные петли. Наиболее энергетически устойчивой в физиологических условиях является третичная структура белка, которая комбинации вторичных структур: α-спирали и представляет собой β-складчатого слоя. Для упрощенного изображения третичной структуры используют условные изображения вторичных структур (рис.4.4). α-Спираль изображают в виде цилиндра, а участки цепи, входящий в β-складчатый слой, - в виде стрел, указывающих направления хода полипептидных цепей. б а Рис. 4.4 Символы, применяемые для изображения участков α-спирали (а) и β-складчатого слоя (б) (соединительные петли и неупорядоченные участки цепи изображают простой линией) Относительное содержание α-спирали и β-складчатого слоя широко варьируется в различных белках. На этом основании можно выделить несколько видов белков. В первую группу входят белки, в которых преобладают α-спирали (αбелки). К ним относятся цитохром c, миогемэритрин и белок оболочки вируса табачной мозаики. Вторая группа (β-белки) построена из антипараллельных β- слоев (ферменты сериновой и кислой протеаз). К третьей группе принадлежат белки, у которых имеются участки, целиком построенные из α-спиралей, и участки, целиком построенные из βслоев (α+β- белки). Примерами таких белков служат стафилококковая нуклеаза, инсулин, папаин. Четвертая группа- (α /β- белки), в которых α-спирали и β- слои чередуются по ходу цепи. Факторами, влияющими на формирование третичной структуры, являются: электростатические взаимодействия, водородные связи, гидрофобные взаимодействия и дисульфидные связи (рис 4.5). электростатические взаимодействия CH2 NH3 OOC CH2 водородные связи H O CH2 OCH2 H гидрофобные взаимодействия CH2 CH2 CH H3CH2C CH3 H3C CH2CH3 CH дисульфидные связи CH2 S S CH2 полипептидная цепь Рис. 4.5 Типы взаимодействий, формирующих и стабилизирующих третичную структуру белка. Молекулы белка с молекулярной массой более 60 000 представляют собой агрегаты, которые состоят из нескольких полипептидных цепей со сравнительно небольшой молекулярной массой. При этом каждая цепь, сохраняя характерную для нее первичную, вторичную и третичную структуру, выступает в роли субъединицы этого агрегата., имеющего более высокий уровень пространственной организации – четвертичную структуру. Такая молекула-агрегат представляет единое целое и выполняет биологическую функцию, не свойственную отдельно взятым субъединица. Четвертичная структура белка закреплена за счет водородных связей, вандерваальсовых взаимодействий, дисульфидных связей. Вопросы для самоконтроля к главе 4 1.Что такое первичная структура белка? 2. Что такое денатурация белка? 3.Приведите примерные значения pKa функциональных групп боковых цепей: а) кислых аминокислот; б)основных аминокислот; в) гистидина. 4. От каких аминокислотных остатков зависит суммарный заряд белковой молекулы, содержащей все 20 аминокислот? 5. Приведите схему, согласно которой гидролитический фермент может быть использован для расщепления D,L-аланина. 6. Почему белки относятся к полимерам? В чем сходство и различие в строении белков по сравнению с другими полимерами? 7. В чем сходство и различие в строении крахмала, целлюлозы и белка? 8. На каких уровнях организации может существовать белковая молекула? Чем эти уровни отличаются друг от друга? Глава 5. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН Клеточные мембраны представляют собой поверхностные периферические структуры, ограничивающие внутреннее содержимое клеток от внешней среды. Основными функциями клеточных мембран являются: 1. изоляция клеток от межклеточной жидкости; 2. создание внутренней архитектуры клетки: 3. преобразование энергии (ферменты дыхательной цепи) 4. поддержание градиента концентраций различных веществ и электрохимического градиента: 5. транспорт питательных веществ и продуктов жизнедеятельности организмов: 6. передача нервных импульсов. Главными компонентами клеточных мембран являются белки и липиды 5.1 Липиды Липиды – производные высших карбоновых кислот. Липиды подразделяются на неполярные и полярные липиды. Неполярные липиды представляют собой сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот (жиры) и являются важнейшими источниками энергии для живых организмов. Кроме того, жировые отложения в подкожной ткани и вокруг различных органов обладают высокими теплоизолирующими свойствами, и, поэтому, предохраняют организм от перегрева и переохлаждения и защищают внутренние органы от сотрясений при падениях, ударах и ушибах. Однако в состав клеточных мембран жиры не входят. Одной из составных частей жиров являются карбоновые кислоты. В таблице 5.1 приведен ряд алифатических карбоновых кислот, обнаруженных в растительных и животных тканях. В высших растениях и животных содержатся главным образом жирные кислоты с длинной и неразветвленной Таблица 5.1 Карбоновые кислоты Тривиальное название ↓ число C-атомов ↓ ↓ число двойных связей ↓ ↓ ↓ положение и конфигурация двойных связей ↓ ↓ ↓ Муравьиная 1: 0 Уксусная 2: 0 Пропионовая 3: 0 Масляная 4: 0 Валериановая 5: 0 Капроновая 6: 0 Каприловая 8: 0 Каприновая 10: 0 Лауриновая 12: 0 Миристиновая 14: 0 в липидах не встречается в липидах не встречается в липидах не встречается Пальмитиновая 16: 0 Стеариновая 18: 0 Олеиновая 18: 1 9Z Линолевая☼ 18: 2 9Z,12Z Линоленовая☼ 18: 3 9Z,12Z,15Z Арахиновая 20: 0 Арахидоновая☼ 20: 4 Бегеновая 22: 0 Эруковая 22: 1 Лигноцериновая 24: 0 Нервоновая 24: 1 карбоксигруппа 5Z,8Z,11Z,14Z 13Z 15Z ☼ незаменимые жирные кислоты (для человека) цепью из 16 и 18 углеродных атомов, а именно пальмитиновая и стеариновая. Все длинноцепочечные жирные природные кислоты состоят из четного числа углеродных атомов. Многие жирные кислоты имеют одну или несколько двойных связей. К наиболее распространенным ненасыщенным кислотам относятся олеиновая и линолевая. Из двух возможных цис- и транс-конфигураций двойной связи в природных липидах присутствует лишь цис-форма. Для обозначения жирных кислот иногда применяют сокращенные названия, где первая цифра означает число углеродных атомов, вторая цифра указывает число двойных связей, а последующие — положение и конфигурацию этих связей. Как обычно, нумерация атомов углерода начинается с наиболее окисленной группы (карбоксигруппа = С-1). Для этих целей используются также буквы греческого алфавита (α = С-2, β = С-3, ω = последний С-атом). К незаменимым жирным кислотам относятся те из них, которые не синтезируются в организме и должны поступать с пищей. Речь идет о сильно ненасыщенных кислотах, в частности арахидоновой (20:4; 5Z,8Z,11Z,14Z), линолевой(18:2; 9Z,12Z) и линоленовой (18:3; 9Z,12Z,15Z). Арахидоновая кислота является предшественником эйкозаноидов (простагландинов и лейкотриенов) и поэтому обязательно должна присутствовать в пищевом рационе. Линолевая и линоленовая кислоты, имеющие более короткую углеродную цепь, могут превращаться в арахидоновую за счет наращивания цепи, и, следовательно, являются ее заменителями. Соединения глицерина с одним остатком жирной кислоты относятся к группе моноацилглицеринов (рис. 5.1). Путем последующей этерификации этих соединений можно перейти к диацил- и далее к триацилгицеринам (устаревшее название триглицериды). Углеродные атомы глицерина в молекулах жиров не эквивалентны. При введении одного заместителя в группу СН2ОН центральный атом углерода становится асимметрическим и появляется хиральный образование сложноэфирной связи R/ O C R CH2 HO CH HO CH HO CH2 HO CH2 глицерин хиральный центр O O O HO CH2 центр.. / // R моноацилглицерин / C O O CH2 R// C O O CH R C O O CH2 C O CH HO CH2 диацилглицерин CH2 R/// C O триацилглицерин Рис. 5.1 Структура жиров Три остатка жирной кислоты могут различаться как по длине цепи, так и по числу двойных связей. Жиры, экстрагированные из биологического материала, всегда представляют собой смесь близких по свойствам веществ, различающихся только остатками жирных кислот. В пищевых жирах чаще всего содержатся пальмитиновая, стеариновая, олеиновая и линолевая кислоты. Полярные липиды подразделяются на фосфо-, сфинго- и гликолипиды, т.е. являются сложными эфирами глицерина или сфингозина и высших жирных кислот. Фосфолипиды служат главными компонентами биологических мембран. Их общим отличительным признаком является наличие остатка фосфорной кислоты, который образует сложноэфирную связь с гидроксильной группой С-3 глицерина. Поэтому фосфолипиды по крайней мере в нейтральной области рН несут отрицательный заряд. ацил 2 HOCH2CH2 N(CH3)3 холин глицерин ацил 1 P HOCH2CH2 NH3 этаноламин 2 COO ацил 2 OH OH OH OH глицерин ацил 1 P серин HOCH2CH NH3 фосфатидовые кислоты миоинозит OH аминоспирты или сахароспирты OH фосфатиды O C O CH2 O CH O остатки высших карбоновых кислот C O CH2 остаток глицерина CH3 (CH2)2 N CH3 O P O O CH3 остаток фосфорной кислоты остаток холина фосфатид (фосфатидилхолин,лецитин) Рис. 5.2 Глицерофосфолипиды Наиболее простая форма фосфолипидов, фосфатидовые кислоты, являются фосфомоноэфирами диацилглицерина. Фосфатидовая кислота (остаток фосфатидил-) служит исходным веществом для синтеза других фосфолипидов. Остаток фосфорной кислоты может образовывать сложноэфирную связь с гидроксильными группами аминоспиртов (холин, этаноламин или серин) или полиспиртов (миоинозит). В качестве примера на рис. 5.2 приведен распространенный фосфатидилхолин фосфолилид (лецитин) клеточных — мембран. широко В фосфатидилэтаноламине (кефалине) вместо остатка холина содержится этаноламин, в фосфатидилсерине — остаток серина, в фосфатидилинозите — остаток циклического многоатомного спирта миоинозита. Другой тип фосфолипидов – сфинголипиды (рис. 5.3) в большом количестве присутствуют в мембранах клеток нервной ткани и мозге. По строению эти соединения несколько отличаются от обычных фосфолипидов (глицерофосфолипидов). Функции глицерина в них выполняет аминоспирт с длинной алифатической цепью — сфингозин. Производные сфингозина, ацилированного по аминогруппе остатками жирных кислот, называются церамидами. Церамиды являются предшественниками сфинголипидов, в частности сфингомиелина (церамид-1-фосфохолина), важнейшего представителя группы сфинголипидов. ацил ацил сфингозин сфингозин аминоспирт или сахароспирт P церамид остаток высшей карбоновой кислоты O C NH2 H HC O CH2 O P O CH2CH2 N CH3 CH H CH3 O CH3 OH остаток холина остаток фосфорной кислоты остаток сфингозина сфингомиелин Рис. 5.3 Сфингофосфолипиды Гликолипиды содержатся во всех тканях, главным образом в наружном липидном слое плазматических мембран. Гликолипиды построены из сфингозина, остатка жирной кислоты и олигосахарида, при этом в них отсутствует фосфатная группа (рис. 5.4). К наиболее простым представителям этой группы веществ относятся галактозилцерамид и глюкозилцерамид (так называемые цереброзиды). Ганглиозиды — представители наиболее сложно построенных гликолипидов, они определяют группу крови у людей. ацил сфингозин сфингозин церамид ацил ацил сфингозин сфингозин сахар цереброзид (галактозил- или гликозилцерамид) Glc Gal Gal GalNAc NeuAc ганглиозид GM1 Рис. 5.4 Гликолипиды 5.2 Жидкостно-мозаичная структура клеточных мембран Таким образом, в отличие от жиров в полярных липидах присутствуют остатки фосфорной кислоты или углеводов. Поэтому в их молекулах присутствует одновременно как гидрофобные, так и гидрофильные части, что делает эти молекулы дифильными (амфипатическими) (рис. 5.5). полярная гидрофильная часть неполярная гидрофобная часть или Рис. 5.5 Строение дифильных молекул Такие молекулы способны образовывать липидный бислой, который и служит клеточной мембраной (рис. 5.6). Кроме липидов в образовании бислоя принимает участие и холестерин – одноатомный спирт (холестерол), также обладающий дифильными свойствами. Встраиваясь между молекулами липидов (гидроксил располагается в зоне гидрофильной стороны) холестерин участвует в регуляции текучести мембраны, препятствуя плотной упаковке углеводородных цепей и тем самым снижая температуру плавления липидов. HO холестерин ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО гидрофильная сторона 6 нм гидрофобная область гидрофильная сторона липидный бислой периферический интегральный мембранный белок мембранный белок ЦИТОПЛАЗМА Рис. 5.6 Жидкостно-мозаичная структура клеточной мембраны Однако липидный бислой не способен выполнять важную функцию – трансмембранный перенос молекул. Эту функцию в липидном бислое выполняют интегральные и периферические мембранные белки (рис. 5.9). Интегральные мембранные белки удерживаются в липидном бислое, благодаря тому что гидрофобная α-спираль погружена в гидрофобную часть липидного бислоя (рис. 5.9).При любой попытке интегрального белка покинуть мембрану его гидрофобные участки войдут в соприкосновение с водой, а гидрофильные – с углеводородным слоем мембраны. И то и другое энергетически невыгодно, поэтому трансмембральное перемещение интегральных белков исключено. ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО якорный гидрофобный хвост + N-участок,содержащий гидрофильные аминокислоты NH3 гидрофильная сторона гидрофобная область гидрофильная сторона O C NH периферический белок,связанный с жирной кислотой липидный бислой гидрофобная α-спираль интегрального белка, погруженная в мембрану COOC-участок,содержащий гидрофильные аминокислоты ЦИТОПЛАЗМА Рис. 5.9 Механизм удерживания интегральных и периферических белков в клеточной мембране. Периферические мембранные белки могут удерживаться на поверхности мембран за счет водородных связей, ионных взаимодействий, а также благодаря механизму «заякоривания» (рис. 5.9).Суть механизма заключается в том, что периферический белок может содержать ковалентно связанный остаток длинноцепочечной жирной кислоты, который внедряется в липидный бислой и служит своего рода якорем. 5.3 Функции клеточных мембран Многие молекулы, которые клетка должна получать из окружающей среды, не способны проникать через клеточную мембрану (рис. 5.10). ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО малые молекулы более крупные неполярные: O2,N2,бензол молекулы (глюкоза) полярные:вода,мочевина, глицерин,диоксид углерода, аммиак ионы:H+,Na+,K+,Mg2+, Ca2+,HCO3-,Cl-,H2PO4-, аминокислоты,пептиды не проникают через мембрану свободная диффузия липидный бислой ЦИТОПЛАЗМА Рис. 5.10 Проницаемость клеточных мембран Поэтому для переноса через мембрану полярных структур – сахаров, аминокислот, неорганических ионов – требуются специально предназначенные для этой цели белки. Простейшей формой транспорта через мембраны является свободная диффузия (облегченная диффузия). Она облегчается определенными мембранными белками, которые можно подразделить на две группы (рис 5.11): 1) канальные белки образуют в мембранах заполненные водой поры, проницаемые для определенных ионов. Например, имеются специфические ионные каналы для ионов Na+ K+ Ca+ и Cl¯; 2) транспортные белки избирательно связывают молекулу субстрата и за счет конформационных измеений переносят их через мембраны. Свободная диффузия и транспортные процессы, обеспечиваемые ионными каналами и переносчиками, осуществляются по градиенту концентрации или градиенту электрического заряда (электрохимический градиент). Такие механизмы транспорта носят название пассивный транспорт. HCO3 глюкоза градиент заряда Cl высокая концентрация транспортный белок канал электрохимиче ский градиент каналообразующий белок глюкоза Cl HCO3 свободная диффузия низкая концентрация изменение конформации облегченная диффузия пассивный транспорт Рис 5.11 Пассивный транспорт Термином унипорт обозначают перенос любых растворенных веществ или ионов с одной стороны мембраны на другую с участием специализированных транспортных белков ( на рис.5.11 перенос глюкозы) В противоположность пассивному транспорту активный транспорт идет против градиента концентрации или заряда, поэтому требует притока дополнительной энергии, которая обычно обеспечивается за счет гидролиза ATP. Примером активного транспорта является так называемый Na+/K+- насос, который обеспечивает активный транспорт ионов K+ и Na+ через клеточные мембраны с использованием энергии гидролиза ATP, поддерживая тем самым постоянство электролитного состава внутри и вне клетки. Дело в том, что концентрация ионов K+ внутри клетки примерно в 35 раз выше, чем вне ее, а концентрация ионов Na+ во внеклеточной жидкости в 15 раз больше, чем внутри клетки. Составной частью Na+/K+-насоса (рис 5.12) является Na+/K+-ATPаза – фермент гидролизующий ATP в присутствии ионов Na+ и K+ до ADP и Pi. Na+/K+-насос расположен в мембране клетки и представляет собой сложный белок, состоящий из четырех субъединиц. Он имеет две энергетически выгодные конформации. Одна из конформаций (E1) характеризуется наличием полости, обращенной внутрь клетки и обладающей высоким стереохимическим сродством к ионам Na+, а другая конформация (E2) имеет полость вне клетки и обладает сродством к ионам K+. Связывание ионов Na+ на внутренней поверхности мембраны с натриевым участком фермента запускает процесс гидролиза ATP и фосфорилирования фермента, что, в свою очередь, приводит к изменению конформации с E1 на E2, в результате чего три иона Na+ перебрасываются наружу. Вне клетки связывание ионов K+ с калиевым участком запускает процесс дефосфорилирования белка, приводящий к изменению конформации с E2 на E1 и перебросу двух ионов K+ внутрь клетки. Таким образом, при гидролизе одной молекулы ATP выделяется энергия, достаточная для транспорта трех ионов Na+ из клетки и двух ионов K+ внутрь клетки. Трансмембранный градиент Na+, создаваемый Na+/K+-ATPазой, является формой запасания энергией. Если ионы Na+ снова возвращаются в клетку, то они могут это сделать вместе с другими молекулами. Такой совместный перенос называется симпортом (рис 5.13). Существует белок, ответственный за симпорт ионов Na+ и глюкозы. В результате этого глюкоза ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО Na+/K+-ATPаза в конформации E1 Na+/K+-ATPаза в конформации E2 Na+/K+-ATPаза в конформации E1 3Na 2K +ATP -Pi -ADP 3Na а ЦИТОПЛАЗМА P б 2K в Рис 5.12 Механизм работы Na+/K+-насоса (а-в последовательные состояния Na+/K+-ATP-азы) может двигаться внутрь клетки против собственного концентрационного градиента за счет градиента ионов Na+. А поскольку последний возникает за счет гидролиза ATP, то ATP косвенно является движущей силой транспорта глюкозы. Подобный механизм действует при всасывании аминокислот и глюкозы симпорт в клеточная мембрана низкая концентрация глюкоза высокая концентрация глюкоза Na+ высокая концентрация Na+ низкая концентрация кишечнике. Na+/K+-ATPаза клетка ATP Na+ Na+ K+ ADP+Pi Рис 5.13 Механизм симпорта Если же вход ионов натрия в клетку сопряжен с выкачиванием, например, ионов кальция, то такой противоток называется антипортом. В этом случае ионы кальция транспортируются против собственного концентрационного градиента за счет энергии натриевого градиента, который, в свою очередь, возникает благодаря гидролизу ATP (рис 5.14). антипорт высокая концентрация Ca2+ Na+ высокая концентрация клеточная мембрана низкая концентрация Ca2+ Na+ низкая концентрация Na+/K+-ATPаза клетка ATP Na+ Na+ K+ ADP+Pi Рис 5.14 Механизм антипорта 5.4 Внутриклеточные мембраны Выше речь шла о наружной (плазматической) клеточной мембране. Однако в клетке находится много и других мембранных структур. Все они имеют липидный бислой и различаются липидным составом и набором входящих в мембраны функциональных белков. Главные компоненты живой клетки приведены на рис.5.15. цитоплазма митохондрии пероксисома лизосома эндоплазматический ретикулум аппарат Гольджи ядро плазматическая мембрана Рис.5.15 Мембранные органеллы живой клетки Наиболее важные органеллы и их функции: Ядро – содержит ДНК и является местом синтеза ДНК и РНК; Эндоплазматический ретикулум – сеть мембранных трубочек и цистерн. Здесь синтезируются все мембранные белки. Часть ретикулума усеяна рибосомами – структурами, ответственными за синтез белка; Аппарат Гольджи- стопка уплощенных цистерн. Здесь сортируются синтезированные в ретикулуме белки и рассылаются по назначению; Митохондрии – «энергетические станции» клеток, где происходит синтез ATP; Лизосомы – содержат гидролитические ферменты, разрушающие нежелательные для клетки вещества; Пероксисомы – пузырьки с ферментами, катализирующими различные окислительные реакции; Внутренний объем клетки заполнен цитоплазмой, содержащей многочисленные растворимые компоненты. Вопросы для самоконтроля к главе 5. 1.Назовите три фосфолипида – производных фосфатидной кислоты, и те группы, которыми они отличаются. 2.Чем цереброзид и ганглиозид отличаются от сфингомиелина? 3.В чем состоит функциональная роль цис-ненасыщенных жирнокислотных хвостов в фосфолипидах мембран? 4.Чем облегченная диффузия через мембраны отличается от свободной? 5. Сколько нужно затратить энергии для переноса одного моля вещества, если снаружи его концентрация в десять раз меньше, чем внутри клетки? 6. Опишите особенности структурной организации клеточных мембран. Из каких биомолекул состоят мембраны клеток? 7. Какие виды транспорта биомолекул через клеточные мембраны вам известны ? 8.К какому виду транспорта относится перенос ионов калия и натрия через мембрану клетки с помощью Na+/K+-насоса? Часть 3. КАТАБОЛИЗМ Как было сказано в главе 3 совокупность деструктивных реакций, протекающих с уменьшением свободной энергии, называются катаболитическими или катаболизмом. В катаболизме можно выделить два типа путей: специфические пути катаболизма и общий путь катаболизма. Под специфическими путями подразумевается распад компонентов пищи (белков, липидов, углеводов). Общий путь катаболизма интегрирует все специфические пути и является их общим продолжением. В результате переваривания специфических пищи (моносахариды, путей катаболизма глицерин, жирные продукты кислоты, аминокислоты) превращаются всего в два соединения – пируват и ацетилКоА, которые затем направляются в общий путь катаболизма, включающий в себя декарбоксилирования пировиноградной кислоты и цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) (рис. 6.1). белки аминокислоты углеводы моносахариды 1 2 3 пируват 6 ацетил-КоА 4 глицерин жиры жирные кислоты 5 CO2+H2O цикл трикарбоновых кислот, дыхательная цепь 1-5 -специфические пути катаболизма; 6,7 -общий путь катаболизма Рис. 6.1 Пути катаболизма Глава 6. Переваривание и всасывание пищи С процесса переваривания и всасывания пищи начинается метаболизм и в частности катаболизм. Вся пища подвергается в кишечнике гидролитическому расщеплению, распадаясь на элементарные блоки. Белки денатурируются в желудке соляной кислотой и расщепляются протеолитическими ферментами желудочного сока до аминокислот, которые всасываются в тонком кишечнике. Углеводы расщепляются гликозидазами, до моносахаридов, которые также всасываются в тонком кишечнике. Нейтральные жиры под действием липаз распадаются до жирных кислот и моноглицеридов, которые поступают в лимфатическую систему. Нуклеиновые кислоты разрушаются нуклеазами поджелудочной железы. Образующиеся при этом продукты расщепления – нуклеиновые основания (производные пурина и пиримидина), пентозы (рибоза, дезоксирибоза), фосфат и нуклеозиды всасываются в тонком кишечнике. Ни в каком другом виде компоненты пищи не могут проникать в эпителиальные клетки, выстилающие пищеварительный тракт. Неорганические составляющие пищи, такие, как вода, соль, витамины, всасываются непосредственно в кишечнике. Волокна клеточных стенок растений (целлюлоза, лигнин) проходят через кишечник неизмененными. В качестве балластных веществ они связывают воду и стимулируют перистальтику кишечника. Большая часть продуктов переваривания всасывается эпителиальными клетками тощей и подвздошной кишок, а затем поступают в печень через воротную вену. Исключение составляют жиры, холестерин и жирорастворимые витамины. Они поступают из эпителиальных клеток в лимфатическую систему и далее через грудной проток в кровь (рис. 6.2). Пищеварительный тракт состоит из отдельных участков. В ротовой полости происходит измельчение и смачивание пищи. Частично происходит расщепление крахмала. В желудке содержится соляная кислота, которая стерилизует пищу и денатурирует белки. Внутренняя поверхность тонкого кишечника образована маленькими ворсинками, которые покрыты эпителиальными клетками. На обращенной в просвет кишечника поверхности эпителиальных клеток имеется множество микроворсинок, образующих вместе с клетками щеточную каемку. Благодаря этому существенно увеличивается площадь контакта кишечника с продукт расщепления пищевые вещества его содержимым. углеводы белки HCl ферментативный гидролиз целлюлоза, лигнин аминокислоты моносахариды нуклеиновые глицерин, моноглицериды, жирные кислоты, основания, фосфат холестерин пентозы, фосфат, нуклеозиды * гидрофильные вещества транспорт витамины, волокна неорганические компоненты нуклеиновые липиды кислоты соли желчных кислот * всасывание липофильные вещества воротная вена печень * лимфатическая система фекалии кровь всасывание путем активного транспорта Рис. 6.2 Гидролиз и всасывание пищевых веществ В толстом кишечнике из остатков пищи удаляется избыток воды. Расщепление (переваривание) пищевых молекул на элементарные блоки является экзоэргоническим процессом, который сопровождается понижением ∆G. Всасывание же часто связано с перемещением веществ против концентрационного градиента и поэтому требует затрат энергии. По своему составу пища мало отличается от тканей составляющих пищеварительный тракт, однако организм сам себя не переваривает. Причина этого кроется в том, что многие пищеварительные ферменты синтезируются в виде неактивных белков-предшественников или проферментов. Именно в таком виде они продуцируются клетками, и поэтому их цитоплазма защищена от контакта с активной формой фермента. Основной же защитой эпителиальных клеток является слой слизи, покрывающий внутреннюю поверхность кишечника. Основными компонентами слизи являются гликопротеины - муцины. 6.1 Переваривание белков Белки расщепляются до аминокислот с помощью протеолитических ферментов (пептидазы, протеазы, пептидгидролазы), которые различаются по субстратной специфичности: каждый из них гидролизует пептидную связь между строго определенными аминокислотными остатками в молекуле белка. Протеолитические эндопептидазы, находящиеся ферменты гидролизующие внутри подразделяются на преимущественно полипептидной цепи, и две группы: пептидные связи, экзопептидазы, катализирующие гидролиз концевой пептидной связи с освобождением одной аминокислоты. Наиболее изученными являются следующие эндопептидазы: пепсин, ренин, трипсин, химотрипсин, эластаза. В желудочном соке гидролиз белков происходит под действием пепсина (от.греч.pepsis- пищеварение). В клетках слизистой оболочки желудка продуцируется пепсиноген – профермент пепсина, полипептидная цепь которого содержит 340 аминокислотных остатков и обладающий высокой устойчивостью в сильнокислой среде. В желудочном соке от пепсиногена отщепляется N-концевая часть молекулы, содержащая 42 аминокислотных остатка, в результате чего в остальной части молекулы вследствие изменения конформации формируется активный центр пепсина. Таким образом, из профермента вырабатывается фермент – пепсин. Активация пепсиногена в пепсин происходит под действием соляной кислоты желудочного сока, так и под действием самого пепсина, т.е. автокаталитически. Под действием пепсина гидролизуются пептидные связи, образованные фенилаланином, триптофаном и тирозином, при этом образуются пептиды, но не свободные аминокислоты. Далее частично двенадцатиперстную переваренная кишку. Кислый в желудке химус пища стимулирует (химус) в выделение клетками кишечника в кровь гормонов (секретина и холецистокинина), благодаря которым поджелудочная железа начинает выделять панкреатический сок. Сок имеет щелочную реакцию и нейтрализует химус, останавливая тем самым действие пепсина и активируя деятельность других ферментов. Эти другие ферменты поступают в кишечник также в виде проферментов. Это трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидаза и проэластаза. Активация этих проферментов осуществляется протеолитическим ферментом – энтеропептидазой, которая в активной форме вырабатывается клетками тонкого кишечника. Энтеропептидаза расщепляет в трипсиногене единственную пептидную связь, а образующийся при этом трипсин способен активировать не только трипсиноген, но и другие проферменты (рис. 6.3). Вся эта система преследует одну цель – предотвратить активацию ферментов до их попадания в просвет кишечника. Если это, по каким то причинам происходит, то развивается болезнь – панкретит. Селективность действия трипсина заключается в гидролизе пептидных связей, образованных между остатками аргинина и лизина. Химотрипсин наиболее активен по отношению к пептидным связям, образованным тирозином, аланином и серином. Эластаза гидролизует пептидные связи между глицином, аланином и серином. Все указанные ферменты гидролизуют белки до пептидов, но образуется также небольшое количество и свободных кислот. Экзопептидазы представлены карбоксипептидазами, аминопептидазами и дипептидазами. Карбоксипептидазы гидролизуют энтеропептидаза трипсиноген трипсин химотрипсиноген химотрипсин прокарбоксипептидаза проэластаза эластаза карбоксипептидаза А - профермент - фермент Рис. 6.3 Активация проферментов пептидную связь, образованную C-концевым остатком. Аминопептидазы поочередно отщепляют от пептидов N-концевые аминокислотные остатки. Дипептидазы – ферменты гидролизующие дипептиды до свободных аминокислот. Особо следует остановиться на образовании обкладочными клетками желудка соляной кислоты. В основе этого процесса лежит выкачивание из клеток протонов против их концентрационного градиента. Оно происходит в результате трансмембранного H+/K+-обмена, источником энергии для которого служит гидролиз ATP (сравните с работой Na+/K+-насоса). Обкладочные клетки желудка содержат H+/K+-ATPазу. Используя энергию гидролиза ATP, они выкачивают H+ в обмен на входящие в клетку катионы калия, который в последствии выводится из клетки. Диоксид углерода, попадающий в клетку из крови, под действием карбонат-дегидратазы превращается в угольную кислоту, которая диссоциирует с образованием гидрокарбонат-аниона. Последние обмениваются на анионы хлора в крови. Анионы хлора выходят в полость желудка и образуют соляную кислоту (рис 6.4). кровь просвет желудка H+/K+-ATPаза обкладочные клетки пептид пепсин пепсиноген CO2 из крови CO2 1 H2O H2CO3 H натуральный белок ATP K анионный канал K HCl 0.1мол/л HCO3 HCO3 H K K ADP+Pi Cl Cl Cl электронейтральный совместный K+/Cl- -транспорт 1 денатурированный белок карбонат-дегидратаза (карбоангидраза) Рис 6.4 Механизм образования соляной кислоты в желудке микроорганизмы Соляная кислота активирует пепсиноген, создает оптимальное значение pH для действия протеолетических ферментов, денатурирует пищевые бкелки, облегчая тем самым процесс их гидролиза, оказывает антимикробное действие. Аминокислоты, образующиеся в кишечнике, проходят через мембрану щеточной каймы внутрь эпителиальных клеток, а после этого проникают в кровеносные капилляры ворсинок. На первой стадии происходит накопление аминокислот внутри клеток, которое осуществляется как симпорт аминокислот и катионов натрия (аналогичный симпорт глюкозы и катионов натрия изображен на рис.5.13). 6.2 Переваривание и всасывание углеводов Основными углеводами пищи являются полисахарид - крахмал, дисахариды – сахароза и лактоза, из моносахаридов встречаются глюкоза и фруктоза. Так как в кишечнике всасываются только моносахариды, то все углеводные компоненты должны быть расщеплены до моносахаридов. Крахмал состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина. Амилоза представляет собой цепь, содержащей от 100 до нескольких тысяч остатков α-D-глюкозы. Другой компонент крахмала амилопектин образует сильно разветвленные структуры и состоит из множества коротких цепей (каждая содержит около 30 остатков α-D-глюкозы), образованных с помощью α-(1→4)-гликозидных связей и соединенных между собой α-(1→6)гликозидными связями (рис. 6.5). Гидролиз компонентов крахмала начинается в ротовой полости под действием гликозидаз слюны – амилаз. α-Амилаза катализирует гидролиз внутренних α-(1→4)-гликозидных связей.; β-амилаза катализирует отщепление от крахмала дисахаридов; γ-амилаза участвует в реакциях отщепления одного глюкозного остатка. Поскольку время нахождения крахмала в ротовой полости недостаточно для полного переваривания, то его HO O -остаток α-D-глюкозы обозначим OH O HO OH амилоза O O 6)-гликозидная связь α-(1 O O амилопектин α-(1 O n 4)-гликозидная связь O O O O O O O O O O O Рис. 6.5 Строение компонентов крахмала амилозы и амилопектина расщепление здесь происходит лишь частично. Под действием α-амилазы слюны крахмал гидролизуется до декстринов и лишь отчасти до мальтозы. Эти продукты гидролиза попадают в желудок, где действие амилаз прекращаются из-за кислой реакции желудочного сока. Наиболее интенсивно проходит гидролиз углеводов протекает в двенадцатиперстной кишке и тонкой кишке под действием гликозидаз различного типа. Здесь крахмал подвергается гидролизу до мальтозы под действием кишечной амилазы. Далее образовавшаяся мальтоза, а также поступившие с пищей лактоза и сахароза гидролизуются до соответствующих моносахаридов с помощью мальтазы, лактазы и сахаразы. Образовавшаяся в результате полного гидролиза смесь моносахаридов, всасывается в клетки посредством активного транспорта через клеточные мембраны при участии катионов натрия (рис. 5.13). Активный транспорт обеспечивает перенос моносахаридов против градиента концентрации и осуществляется при низких концентрациях глюкозы в кишечнике. Моносахариды способны также проникать через клеточные мембраны путем облегченной диффузии (рис. 511). Далее глюкоза покидает эпителиальную клетку через мембрану, обращенную к кровеносному капилляру, и переносится кровью через воротную вену в печень. Выход глюкозы из клетки также происходит по облегченной диффузии. 6.3 Переваривание и всасывание жиров Пищевые липиды представляют собой сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот (жиры) и являются неполярными липидами. Вследствие своей нерастворимости в воде, они образуют капли и в таком виде недоступны для ферментов. Переваривание жиров происходит в тонком кишечнике благодаря действию фермента липазы, которая гидролизует в триглицериде сложноэфирные связи, образованные первичными гидроксильными группами (рис.6.6). O O O R O R O R O триглицерид липаза + H2O OH O O R OH моноглицерид + 2RCOO + 2H жирная кислота Рис.6.6 Гидролиз триглицеридов Скорость гидролиза жиров ограничена их доступностью для липазы. Она увеличивается по мере уменьшения размера капелек жира и, соответственно, увеличения поверхности соприкосновения с водной средой. Этому способствует эмульгирование жиров. В качестве эмульгаторов выступают образующиеся при гидролизе моноглицериды , свободные жирные кислоты, а также соли желчных кислот. Моноглицериды достаточно растворимы чтобы всасываться в эпителиальные клетки тонкого кишечника. Желчные кислоты образуются в печени и накапливаются в желчном пузыре, откуда поступают в двенадцатиперстную кишку. Они образуются из холестерина введением гидроксильных и карбоксильной группы. Значительная доля холевой кислоты представлена в виде ее амидов, образованных глицином (гликохолевая кислота) и таурином (таурохолевая кислота)(рис.6.7) O R R= -OH холевая кислота OH -NHCH2COOH гликохолевая кислота -NHCH2SO3H таурохолевая кислота HO OH Рис.6.7 Холевая кислота и ее производные В присутствии желчных кислот моноглицериды и жирные кислоты образуют смешанные смешанные мицеллы – дискообразные частицы, края которых заполнены молекулами желчных кислот, в гидрофобная середина образована продуктами расщепления жиров, холестерином и фосфолипидами. Эти мицеллы и проникают в эпителиальные клетки тонкого кишечника. В эпителиальных клетках тонкого кишечника из моноглицеридов и жирных кислот происходит ресинтез жиров, но уже специфичных для данного организма (рис.6.8). O OH жирные кислоты O O R энергия ATP OH моноглицерид O O R O R O R O триглицерид Рис.6.8 Ресинтез жиров Полученные в результате ресинтеза жиры, а также фосфолипиды, холестерин, его эфиры и белки собираются в мелкие частицы – хиломикроны. Внешняя гидрофильная оболочка этих сферических частиц состоит из фосфолипидов (массовая доля 4%), холестерина (3%) и белков (1%), а внутренняя гидрофобная часть из жиров (85-90%) и эфиров холестерина(3%). Размер хиломикрона составляет 100-1000 нм (рис.6.9 ). фосфолипиды триглицериды эфиры холестерина холестерин белок Рис. 6.9 Строение хиломикронов Гидрофильная оболочка стабилизирует хиломикроны настолько, что они из эпителиальных клеток переносятся в лимфатические капилляры, также пронизывающие клеточные ворсинки. Вопросы для самоконтроля 1.Какие пищеварительные ферменты синтезируются в виде неактивных предшественников? 2.Почему пищеварительные ферменты синтезируются в виде неактивных предшественников? Почему амилаза синтезируется сразу в активной форме? Почему активные ферменты не действуют на стенки тонкого кишечника? 3.Как происходит активация проферментов в тонком кишечнике? 4.Какими последствиями для организма чревата преждевременная активация панкреатических проферментов? 5.Почему надо переваривать пищу? 6.Отчего многие люди, особенно выходцы из Азии, плохо переносят молоко и молочные продукты? 7.Что представляют собой нейтральные жиры? 8. Пищевые жиры нерастворимы в воде. Как при этом с ними справляются пищеварительные ферменты? Глава 7. МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА, ХРАНЕНИЯ И МОБИЛИЗАЦИИ ПИЩИ Углеводы, жиры и аминокислоты, полученные при переваривании пищи запасаются впрок. Значительная часть глюкозы, образующейся в результате гидролитического расщепления углеводов пищи в пищеварительном тракте, запасается в виде в гликогена – резервного полисахарида, используемого организмом в качестве источника глюкозы в интервалах между приемами пищи (рис. 7.1). Биосинтез гликогена из глюкозы имеет большое физиологическое значение, поскольку накопление легкорастворимой глюкозы в клетке могло бы привести к разрушению клеточной мембраны вследствие увеличения внутриклеточного осмотического давления. Запас гликогена у человека очень ограничен и исчерпывается после суточного голодания. Другие пищевые моносахариды – галактоза и фруктоза превращаются в глюкозу или гликоген. HO O -остаток α-D-глюкозы обозначим OH O HO невосстанавливающий конец цепи OH O H + O* HO глюкоза O * O Tyr белок 6 праймер гликогенин энергия ATP O O O * 6 O Tyr белок гликоген Рис. 7.1 Общая схема синтеза гликогена Основная часть синтезированного организмом жира храниться в жировой ткани или жировых клетках, распределенных по разным участкам тела. В отличие от гликогена, жиры запасаются в неограниченном количестве и являются наиболее компактной формой запасания энергии. Поскольку глюкозы из пищи поступает много, а запасается она в виде гликогена в небольших количествах, избыток ее перерабатывается в жир. Однако обратное превращение жирных кислот в глюкозу в организме не происходит (рис.7.2). глюкоза из пищи гликоген ГЛЮКОЗА другие сахара из пищи нейтральные жиры в жировых клетках нейтральные жиры из пищи Рис. 7.2 Превращение глюкозы и жиров в организме Формой запасания пищевые аминокислоты является белок, особенно сократительный белок мышечных клеток, который расщепляется в условиях, когда организму не хватает пищевых аминокислот. Неиспользованная часть аминокислот подвергается расщеплению, при этом азот, входящий в состав аминокислот, оказывается включенным в молекулу мочевины и выводится из организма с мочой. Лишенная азота молекула перерабатывается в жир или в гликоген, либо окисляется с выделением энергии (рис.7.3). белки и другие компоненты тканей аминокислоты из пищи моча мочевина удаление аминогруппы избыточные аминокислоты углеводородный остов молекулы жиры и их производные глюкоза H2O+CO2 Рис. 7.3 Превращение аминокислот в организме 7.1 Превращение глюкозы в организме Глюкоза (рис. 7.4, соединение 7.1) в клетке подвергается фосфорилированию при действии ATP с образование глюкозо-6-фосфата (7.2). Эта реакция в мозге и мышцах катализирует фермент гексокиназа, а в печени глюкокиназа (рис. 7.4 , фермент [1]).Реакция фосфорилирования является экзоэргонической и поэтому необратима. Далее фосфорильный остаток под влиянием фосфоглюкомутазы [2] обратимо мигрирует от C-6 к C-1 атому с образованием глюкозо-1-фосфата (7.3). Если бы далее реакция пошла бы между глюкозо-1-фосфатом и праймером гликогена , то такая реакция оказалась бы обратимой и следовательно не контролируемой. Для придания синтезу гликогена термодинамическую необратимость, в него введена дополнительная стадия. Она заключается в том, что глюкозо-1фосфат взаимодействует с уридинтрифосфатом (UTP,7.4) при участии фермента UDP-глюкопирофосфорилазы [3]. При этом образуется уридиндифосфоглюкоза (UDP-глюкоза)(7.7). Необратимость этой реакции достигается тем, что образующийся при этом пирофосфат PPi (7.5) под действием пирофосфатазы неорганического фосфата Pi [4] гидролизуется (7.6) (∆Go = -33,5 необратимо до кДж·моль-1).Это обстоятельство придает необратимость всему синтезу гликогена и делает невозможным распад гликогена простым обращением реакции синтеза. Далее именно UDP-глюкоза, а не глюкозо-1-фосфат, выступает как донор остатка глюкозы при синтезе гликогена (7.9). Эту реакцию катализирует гликогенсинтетаза [5].Акцептором остатка глюкозы является праймер (затравка) гликогена - белок гликогенин (7.8). Гликогенин представляет собой молекулу, состоящую из 8 остатков глюкозы, соединенных О-гликозидной связью с тирозиновым остатком белка. Остаток глюкозы присоединяются к невосстанавливающему концу полисахарида. Гликоген имеет разветвленную структуру, которую создает разветвляющий фермент. Как только линейный участок достигнет длины в 11 остатков глюкозы, разветвляющий фермент переносит концевой фермент, содержащий 7 остатков глюкозы, на гидроксильную группу C-6-атома глюкозы этой или другой цепи. Эта реакция не требует затрат энергии, т.к. энергия образования α-(1→6)- связи примерно равна энергии связи α-(1→4) (рис. 7.5). Глюкоза запасается в виде гликогена в клетках печени. В перерывах между приемами пищи печень расщепляет накопленный в ней гликоген с такой скоростью, чтобы удержать на постоянном уровне концентрацию глюкозы в крови. Эта скорость определяется соотношением гормонов глюкагона и инсулина. Распад гликогена также как и синтез начинается невосстанавливающего конца полисахаридной цепи и представляет собой с 2 HO O уридильный статок HO O3P O + ATP OH OH OPO32 OH OH HO HO HO 1 -ADP 2 -1 OH -7,3 кДж моль-1 -16,7 кДж OH OH *моль (7.2) * (7.3) (7.1) OH O P HO O O O P O + O O O OH (7.7) P O P O уридин + O O O P уридин O O (7.4) O HO HO HO O OH O O OH OH OH (7.8) 5 O O P O P O O OH OH + H2O O 2 O O HO O O OH HO (7.5) 4 O + O O O O O P HO O OH (7.6) OH O HO O HO OH HO HO O OH - UDP O OH (7.9) O O и т.д. OH OH O O OH Рис 7.4 Синтез гликогена из глюкозы OH 1 HO O O 4 O O O O O гликоген 5 α-(1 4)-гликозидная связь разветвляющий фермент α-(1 1 O* HO O * 5 6)-гликозидная связь точка ветвления O 6 4 O O OH O O гликоген Рис.7.5 Действие разветвляющего фермента при синтезе гликогена фосфоролиз и гидролиз. Процесс фосфоролиза происходит под действием неорганического фосфата (Pi) и фермента гликогенфосфорилазы, катализирующей фосфоролиз α-(1→4) гликозидные связи гликогена. Pi глюкозо-1-фосфат + цепь гликогена (n-1 остатков глюкозы) цепь гликогена (n остатков глюкозы) гликогенфосфорилаза H2 O глюкоза + Pi фосфоглюкомутаза глюкозо-6-фосфат глюкозо-6-фосфатаза Рис. 7.6 Распад гликогена Образующийся глюкозо-1-фосфат далее изомеризуется в глюкозо-6фосфат, гидролизующийся в глюкозу, которая поступает в кровь и в дальнейшем используется в других органах и тканях (рис. 7.6). Точки ветвления в гликогене затрудняют работу гликогенфосфорилазы. С целью устранения этого препятствия деветвящий фермент переносит три концевых остатка глюкозы на гидроксильную группу C-4-концевого остатка другой короткой цепи, что удлиняет последнюю и тем самым делает ее доступной действию гликогенфосфорилазы. Этот же деветвящий фермент гидролитически отщепляет боковой α-(1→6) гликозильный остаток (рис 7.7). перенос 1 * O 2 O HO O* HO O O O HO * 2 O 6 * 2 O O O O O * O 3 гликоген деветвящий фермент новая α-(1 O O HO 1 4)-гликозидная связь O O 2 * 2 гидролиз HO O 6 O* HO O * 2 O O O O гликоген O * O 3 Рис.7.7 Действие деветвящего фермента в молекуле гликогена Общая схема поглощения, хранения и высвобождения глюкозы в печени представлены на рис. 7.3. При рассмотрении процессов, изображенных на рис 7.8, следует, что синтез и распад гликогена происходит разными путями и, поэтому, они могут регулироваться гормонами независимо друг от друга. При этом инсулин побуждает клетки накапливать гликоген, а глюкагон способствует распаду гликогена и выходу глюкозы из печени. Следует заметить, что в кровь из кишечника попадает не только глюкоза, но и другие моносахариды (галактоза, фруктоза). Их задача состоит в том, чтобы превратится в глюкозу или продукты ее метаболизма и тогда эти моносахариды вместе с глюкозой будут окисляться с выделением энергии или преобразовываться в гликоген или жир. инсулин активирует UDP гликоген синтаза Pi H2 O гликоген глюкагон ингибирует P Pi + UDP-глюкоза 2Pi глюкагон активирует UDP-глюкозопирофосфорилаза H2O ADP инсулин ингибирует гликоген фосфорилаза глюкозо-6-фосфат глюкокиназа фосфоглюко мутаза ATP глюкоза + Pi глюкозо-1-фосфат UDP поглощение фермент глюкозо-6фосфатаза выход глюкоза в крови гормон Рис. 7.8 Поглощение, хранение и высвобождение глюкозы Для превращения галактозы в глюкозу необходимо изменить конфигурацию при C-4 атоме. Этот процесс называется эпимеризацией и он изображен на рис. 7.9. HO HO O ADP ATP HO HO HO OH OH OH (7.10) (7.11) OH OPO32 6 OH O O OPO32 HO OH (7.3) OH 7 HO HO HO O OH O HO O O OH (7.7) P O P O O O O O OH (7.12) 8 O O OH уридин P O O P O уридин O Рис 7.9 Эпимеризация галактозы Процесс начинается галактокиназой (фермент фосфорилированием [6]) в галактозы галактозо-1-фосфат (7.11). (7.10) Далее галактозо-1-фосфат замещает глюкозо-1-фосфат в UDP-глюкозе (7.7) в результате чего в присутствии уридилтрансферазы [7] образуется UDPгалактоза (7.12). И только после этого происходит эпимеризация UDPгалактозы в UDP-глюкозу в присутствии UDP-галактозоэпимеразы [8]. 7.2 Превращение жиров и холестерина в организме Полученные в результате ресинтеза жиры в составе хиломикронов переносятся лимфатической системой в кровь. Жиры откладываются про запас в жировых клетках, мышцах и других тканях, где используются для производства энергии. Транспорт нерастворимых в жидкостях организма жиров, в том числе и холестерина, осуществляется в составе особых частиц – липопротеинов, представляющие собой сложные по составу комплексы липидов с жирами. В крови было обнаружено несколько форм липопротеинов, различающихся плотностью: уже упомянутые хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (ЛОНП, англ.VLDL), липопротеины низкой плотности (ЛНП, LDL), липопротеины высокой плотности (ЛВП, HDL), липопротеины промежуточной плотности (ЛПП, IDL). Липопротеины, также как и хиломикроны, представляют собой сферические частицы, гидрофильная поверхность которых представляет собой слой ориентированных фосфолипидов, белков и холестерина, а ядро образовано гидрофобными молекулами триглицеридов и эфиров холестерина. Примерный состав липопротеинов крови человека приведен в таблице 7.1. Липопротеины несут Классификация и примерный состав липопротеинов крови человека. Таблица 7.1 Тип липопротеина Плотность, Размер, г/cм3 нм Хиломик- 0,90- 100- роны 0,95 1000 ЛОНП 0,95- 30-70 Состав (массовая доля,%) белки фосфо- холестерин жиры липиды и его эфиры 1 4 6 85-90 8-10 18 13 60 30 30 1,00 ЛПП 1,0061,019 ЛНП 1,00- 15-25 20 23 45 6-10 7,5-10 50 30 18 2-7 1,06 ЛВП 1,061,27 на внешней поверхности характерный аполипопротеин, белок, который «плавает» на оболочке липопротеина. Аполипротеины служат молекулами узнавания липопротеинов ферментами. Триглицериды, находящиеся в хиломикронах гидролизуются в кроветоке липопротеинлипазой, расположенной на поверхности клеток, выстилающих капилляры. Продуктами гидролиза являются глицерин и жирные кислоты, которые поглощаются мышцами и жировыми тканями. Остатки хиломикронов путем эндоцитоза поглощаются клетками печени (рис 7.10). рецепторный белок возвращается в мембрану аполипопротеин клетки печени захваченный остаток в клетке печени впячивание мембраны клетки печени остаток хиломикрона рецепторный белок Рис. 7.10 Поглощение остатка хиломикрона клеткой печени путем эндоцитоза Поглощенные транспортируются триглицериды, далее от печени холестерин и к тканям. другим фосфолипиды Транспорт осуществляется ЛОНП, ЛПП, ЛНП и ЛВП. Триглицериды и холестерин образуют в клетках печени ЛОНП, которые теряют триглицериды и превращаются сначала в ЛПП, а затем в ЛНП. Образующиеся ЛНП снабжают холестерином различные ткани организма. Существует и обратный поток холестерина, в результате которого ЛВП возвращают избыточный холестерин, образующийся в тканях, обратно в печень. Во время этого транспорта холестерин ацилируется жирными кислотами из лецитина. В этом процессе участвует лецитинхолестеринацилтрансфераза (рис.7.11). O O O O O R1 R2 + O холестерин OH O O P O холин R1 OH O + R2 C O холестерин O O P O холин O лецитин (фосфатидилхолин) O лизолицитин Рис 7.11 Ацилирование холестерина эфир холестерина Образующиеся в ЛВП эфиры холестерина передаются ЛПП и ЛНП, а далее клеткам печени (рис 7.12). ЛВП ацилирование холестерина перенос эфиров холестерина печень эндоцитоз перенос холестерина эндоцитоз жир хиломикрон остаток хиломикрона ЛОНП ЛПП ЛНП холестерин периферические ткани холестерин расщепление до жирных кислот под действием липопротеинлипазы мышцы жировые ткани Рис. 7.12 Роль липопротеинов в переносе холестерина в печень и из печени При изучении липопротеинового состава сыворотки крови установлено, что чем больше отношение ЛНП/ЛВП, тем больше опасность обильных отложений холестерина на внутренней поверхности кровеносных сосудов, т.е. атеросклероза. Атеросклероз способствует развитию инсульта и инфаркта миокарда за счет ограничения кровотока через суженные сосуды мозга или сердца. Вопросы для самоконтроля 1. Как достигается термодинамическая необратимость синтеза гликогена из глюкозо-1-фосфата? 2. Как триглицериды покидают хиломикроны и усваиваются тканями? 3. Что такое ЛОНП и для чего они нужны? 4. Что понимается под встречным переносом холестерина? 5. Каким образом большая часть холестерина выводится из организма? 6. Этерификация холестерина – эндоэргоническая реакция. Каким образом в ЛВП холестерин этерифицируется без участия ATP? 7. Почему клетки запасают глюкозу в виде гликогена? 8. Почему триглицериды запасаются в большем количестве, чем гликоген? Глава 8. ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗ ПИЩИ Для обеспечения себя энергией в виде ATP организм окисляет гликоген, глюкозу, а также жиры и избыточное количество аминокислот. Процесс окисления рассматривается как перенос электронов, сопровождаемый отщеплением протона от окисляемой молекулы (субстрата) H-A-H→A + 2e- + 2H+ протоны при этом переходят в окружающую среду. Донором электронов является кислород, O2 + 4e- +4H+ → 2H2O при этом образуется вода, причем требующиеся для этого протоны забираются из раствора. Между субстратом и кислородом расположены переносчики электронов. Связывая электроны, они передают их следующему акцептору, образуя цепь, по которой электроны переносятся с окисляемой молекулы на кислород. С этой цепью переноса электронов связан синтез основного количества ATP (рис.8.1). электроны + H (далее перемещаются (связываются с по цепи переносчиков) переносчиками или высвобождаются e в раствор) HA H из пищи e выделение свободной энергии e e ADP+Pi ATP e O2 H2O Рис.8.1 Общая схема переноса электронов на кислород и получение ATP Окисление глюкозы до воды и углекислого газа можно разделить на три этапа: гликолиз – процесс расщепления глюкозы на два трехуглеродных фрагмента (пировиноградная кислота), сопряженной с восстановлением переносчика электронов в цитоплазме клетки. цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, трикарбоновых кислот) – последовательность реакций, в результате которых второй и третий углеродные атомы пировиноградной кислоты превращаются в углекислый газ с одновременным восстановлением переносчиков электронов. Этот процесс происходит в митохондрии без участия молекулярного кислорода. электронтранспортная цепь – цепь переноса электронов на кислород, после чего он, забирая из окружающей среды протон, превращается в воду. Этот процесс происходит во внутренней мембране митохондрий. В случае триглицеридов главное значение имеет окисление не глицерина, а жирной кислоты. Химическое строение жирной кислоты отличается от строения глюкозы и, естественно, механизм окисления жирной кислоты будет иным. В этом механизме будет отсутствовать стадия гликолиза, но остается цикл Кребса и электронтранспортная цепь. Окисление аминокислот сходно с окислением глюкозы и жирных кислот, хотя и сложнее в деталях. Все 20 аминокислот могут использоваться для генерации энергии, если их количество превышает потребности организма в синтезе белка. Схема их метаболизма заключается в следующем: аминокислоты дезаминируются, а лишенная азота углеводородная часть вовлекается в цикл Кребса, а далее в электронтранспортную цепь. Важнейшее значение в вышеприведенных переносчики электронов. 8.1 Переносчики электронов процессах играют Основной переносчик большинством электронов, который окисляемых взаимодействует молекул, с является никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) (рис. 8.2, соединение 8.1). никотинамид NH2 аденин CONH2 N N O O P OH HO H H O N O O P O O- N N O OH H H OH H OH фосфат рибоза (8.1) Рис. 8.2 Никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) NAD+ является коферментом и выполняет роль переносчика электронов, постоянно окисляясь и восстанавливаясь. Рабочим участком служит остаток никотинамида, который на одном из ферментов присоединяет два электрона и протон (что эквивалентно гидрид-аниону). В результате получается восстановленный NADH и H+ (рис. 8.3). CONH2 H .. A.. H восстановленный субстрат N R NAD+ гидрид-анион . H H H CONH2 +H N R NADH + H A окисленный субстрат Рис. 8.3 Восстановление NAD+ Получившийся NADH+H+ диффундирует к другому ферменту, где подвергается окислению B+ NADH+H+ → BH2+ NAD+ Таким образом NAD+ действует как переносчик двух электронов и двух протонов от субстрата А к субстрату В. Сходным строением обладает никотинамидадениндинуклеотид-фосфат NADP+ (рис. 8.4,соединение 8.2). Рабочим участком является также остаток никотинамида. В результате присоединения двух протонов и двух электронов образуется NADPH и H+. никотинамид NH2 аденин CONH2 N N O O P OH HO H H O O- N O O P O фосфат (8.2 ) N O OH рибоза N H H OH O P O H O O Рис. 8.4 Никотинамидадениндинуклеотид–фосфат (NADP+) Аналогичным образом работают и другие переносчики электронов. Среди них флавинадениндинуклеотид (FAD) (рис. 8.5, соединение 8.3) рибит CH2 фосфат OH OH OH CH2 O - H3C N H3C N N O O P O NH2 O NH - O N O P O O изоаллоксазин N H2C рибоза H N N аденин O H H OH H OH (8.3) Рис. 8.5 Флавинадениндинуклетид (FAD) Еще одним переносчиком электронов является флавинмононуклеотид (FMN) (рис. 8.6, соединение 8.4). рибит CH2 фосфат OH OH OH CH2 O - H3C N H3C N N O O P O O- NH O изоаллоксазин (8.4) Рис. 8.6 Флавинмононуклеотид (FMN) И у FAD и у FMN один и тот же рабочий участок – остаток изоаллоксазина, который принимает два электрона и два протона, образуя восстановленные формы. (рис. 8.7) H .. .. N N + 2e .. N + 2H .. N H FAD(окисленная форма) +2e- + 2H+ → FADH2 (восстановленная форма) FMN (окисленная форма) +2e- + 2H+ → FMNH2 (восстановленная форма) Рис. 8.7 Восстановление FAD и FMN Многие переносчики электронов являются белками, содержащими в качестве простетической группы гем. Такие переносчики электронов называются цитохромами, так как окрашены в красный цвет. Главная часть гема выглядит следующим образом N N N 2 Fe _e N N 3 Fe N +e N N восстановленный гем окисленный гем Рис.8.8 Главная часть гема Главное, что следует помнить, это изменение валентности его атома железа при функционировании: Fe2+ при получении электрона от предыдущего переносчика и Fe 3+ после передачи электронов последующему переносчику. Свойства гема зависят от того, как и к какому белку он прикреплен в качестве простетической группы. По этой причине существуют циnохромы b,c1,c,a,a3, отличающиеся друг от друга редокс-потенциалами. Существуют негемовые белковые железосодержащие переносчики электронов (железо-серные комплексы), в которых атомы железа связаны с сульфгидрильными группами остатков цистеина белка. Строение простейшего железо-серного комплекса можно представить следующим образом Cys Cys S S атом железа координирован атомами серы Fe Cys S S Cys полипептидная цепь белка Рис. 8.9 Строение железо-серного комплекса Как и в цитохромах, атомы железа могут принимать и отдавать электроны, поочередно переходя в ферро(Fe2+)- и ферри(Fe 3+)- состояния. Небелковым переносчиком электронов является убихинон (кофермент Q, CoQ) (рис. 8.10). O CH3 CH3O CH2CH CH3O O CH3 C CH2 n CH2CH CH3 C CH3 убихинон (n=5-9) Рис. 8.10 Убихинон Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном восстановлении он превращается в в свободный радикал семихинон, а при двухэлектронном в гидрохинон. Промежуточное образование семихинона позволяет убихинону служить переносчиком не двух, а одного электрона. Очень длинный гидрофобный хвост позволяет убихинону легко внедряться в неполярный слой внутренней митохиндральной мембраны. Окислительно-восстановительные превращения убихинона можно представить следующим образом (рис. 8.11). .. .. . CH3 CH3O OH O O CH3O CH3 CH3O R +e +H R CH3O R CH3O OH восстановленная форма (QH2) OH семихинон (QH*) O окисленная форма (Q) CH3 CH3O +e +H Рис 8.11 Окислительно-восстановительные превращения убихинона 8.1.1 Редокс-потенциалы переносчиков электронов Для характеристики переносчиков электронов существует редокспотенциалы. В любой окислительно-восстановительной реакции участвуют акцептор электронов (окислитель) и донор электронов (восстановитель). Общую реакцию A-вос + Bок → Aок + B-вос можно разделить на две полуреакции A-вос → Aок + е Bок+ е → BвосВ каждой из них участвуют окисленная и восстановленная формы одного соединения (A и A-, B и B-) . Их называют сопряженной парой, окислительно-восстановительной парой или редокс-парой. Таким образом, в реакции участвуют обе редокс-пары, одна из которых отдает электроны, а другая их принимает. Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Те, у которых это сродство меньше отдают электроны тем, у кого оно больше. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительновосстановительный потенциал или редокс-потенциал (Eo/). Значение этого параметра позволяет предугадать направление переноса электронов между участниками реакции. Кроме того, величина Eo/ связана с изменением свободной энергии. Величина Eo/ выражается в вольтах, и чем она отрицательнее, тем меньше сродство вещества к электронам, тем выше способность их отдавать, тем значительнее восстановительный потенциал и тем выше энергия электронов. При измерении Eo/ в качестве одной из редокс-пар используют реакцию 2H++2e→ H2, катализируемую платиновой чернью. Это так называемый водородный электрод. Другой сопряженной парой служит смесь окисленной и восстановленной форм исследуемого соединения. Потенциал водородного электрода принято считать равным нулю. Величина Eo – стандартная величина окислительно- восстановительного потенциала, которая определяется в стандартных условиях, когда концентрация всех веществ равна 1M, а давление водорода составляет 1 атмосферу. В биохимии обычно используют значение Eo/, отвечающее pH 7.При этом потенциал водородного электрода равен -0,42В. Для реакции NAD+ +2H++2e → NADH+H+ величина Eo/= -0,32B, а для ½O2+2H++2e→H2O значение Eo/= +0,82B. Столь большая разница значений редокс-потенциалов указывает на то, что NADH способен восстановить кислород до воды, а обратная реакция невозможна. Редокс-потенциалы Eo/ связаны с изменением свободной энергии ∆ Go уравнением Нернста ∆ Go = -nF∆ Eo/, где n – число перенесенных в реакции электронов; F- постоянная Фарадея (96,5 кДж· B -1 ·моль-1); ∆ Eo/ - разность редокс-потенциалов электронодонорной и электроноакцепторной пар. Реакцию окисления NADH NADH+H+ +½O2 → NAD++ H2O можно представить как комбинацию двух полуреакций NADH+H+ → NAD+ + 2H++2e Eo/ = -0,32B ½O2+2H++2e→H2O Для суммарной реакции Eo/ = -0,816B Eo/ = -0,32 -0,816= -1,136 B поэтому ∆ Go = -2 (96,5кДж· B -1·моль-1) (-1,136 B)=219,25 кДж·моль-1 В таблице приведены редокс-потенциалы основных переносчиков электронов. Восстановленная форма Eo/ , B Окисленная форма NADH+H+ NAD+ -0,32 FADH2 FAD -0,05 CoQH2 CoQ +0,04 Цитохром b (Fe2+) Цитохром b (Fe3+) +0,07 Цитохром c1 (Fe2+) Цитохром c1 (Fe3+) +0,23 Цитохром a (Fe2+) Цитохром a (Fe3+) +0,29 Цитохром a3 (Fe2+) Цитохром a3 (Fe3+) +0,55 H2O ½O2 +0,82 8.2 Строение митохондрий Митохондрии – небольшие внутриклеточные органеллы размером с бактерию (1 на 2 мкм). В клетке обычно содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки. Митохондрии по выполняемой функции представляет собой электростанции клеток, так как в них синтезируется основное количество ATP. 5 1 2 3 4 Рис. 8.12 Митохондрия Митохондрии окружены двумя мембранами. Внешняя мембрана (1) проницаема для многих соединений и особой роли в производстве энергии не играет. Внутренняя мембрана (2) обладает крайне низкой проницаемостью для большинства веществ, кроме тех, для которых в ней предусмотрены специальные транспортные системы. Внутренняя мембрана образует складки или кристы (3), увеличивающие ее площадь. Внутри митохондрия заполнена концентрированным раствором ферментов (матрикс(4). Между внутренней и внешней мембраной имеется межмембранное пространство (5) (рис.8.12). 8.3 Образование энергии при окислении глюкозы Глюкоза – основной моносахарид, образующийся в результате гидролиза полисахаридов пищи – подвергается прежде всего многостадийному процессу гликолиза. 8.3.1 Гликолиз Гликолиз – расщепление молекулы глюкозы или глюкозильного остатка гликогена на две молекулы пирувата, ,сопровождающееся образованием энергии в виде молекул ATP. Гликолиз протекает в цитоплазме клетки под действием гликолитического ансамбля ферментов. С учетом промежуточных продуктов в гликолизе можно выделить три стадии: 1) превращение гексоз; 2) превращение триоз; 3)превращение оксокарбоновых кислот Первая стадия гликолиза включает последовательное фосфорилирование глюкозы и превращение гексозы в триозу в результате четырех отдельных этапов. Этап 1 служит пусковой реакцией и представляет собой перевод гликогена или глюкозы в глюкозо-6-фосфат. При действии на гликоген (n остатков) (8.4) Pi в присутствии фермента гликогенфосфорилазы [1]образуется глюкозо-1-фосфат (8.5) и эта реакция не требует затрат энергии, так как энергия глюкозильной группы в гликогене эквивалентна энергии фосфоэфирной связи. Глюкозо-1-фосфат (8.5) в присутствии фосфоглюкомутазы [2] превращается в глюкозо-6-фосфат (8.7), которая может быть получена непосредственно из глюкозы (8.6). В этой реакции фосфорилирования участвуют гексокиназа (или глюкокиназа в печени), а также затрачивается одна молекула ATP. HO HO O O + O OH O HO OH P 1 O OH (8.4) O + OH OPO3 HO гликоген (n-1 остатков) 2 OH (8.5) (Pi) 2 2 HO O ADP ATP OH G = -16,7кДж. моль o (8.6) OH HO 3 OH O OH OH HO O3P O -1 OH (8.7) Этап 2 – изомеризация глюкозо-6-фосфата (8.7) во фруктозо-6-фосфат (8.8) под действием фосфоглюкоизомеразы [4]. Данная реакция обратима (∆ Go= +1,7 кДж·моль -1), причем равновесие устанавливается при соотношении концентраций 8,7/8.8=7/3. 2 O3P O O OH 4 OH HO CH2OPO32 CH2OH O G = +1,7 кДж . моль o HO -1 OH OH (8.7) OH (8.8) Этап 3 – фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дифосфата (8.9) в присутствии фосфофруктокиназы [5]. CH2OPO32 CH2OPO32 O CH2OPO32 CH2OH O + ATP HO 5 OH + ADP + H2O HO OH Go= -14,2 кДж моль-1 OH (8.9) . OH (8.8) Этап 4 представляет собой альдольное расщепление фруктозо-1,6дифосфата под действием фруктозо-1,6-дифосфатальдолазы [6] на две фосфотриозы: дигидросиацетонфосфат (8.10) и глицеральдегид-3-фосфат (8.11). CH2OPO32 CH2OPO32 O CH2OPO32 C H2C HO 6 OH + O OH (8.10) OH CH2OPO32 HC OH HC O (8.11) (8.9) Изменение свободной энергии при этой реакции составляет +24,3 кДж·моль -1. По этой причине эта реакция не должна протекать, возможна лишь обратная реакция. Однако надо учитывать, что одна молекула фруктозо-1,6-дифосфата превращается в две, и поэтому реальное (а не стандартное) изменение свободной энергии сильно зависит от концентрации участников реакции. Вторая стадия, как и первая, включает четыре последовательные реакции, в результате которых из триоз образуются оксокислоты.. Этап 5 – реакция изомеризации дигидросиацетонфосфата (8.10) в глицеральдегид-3-фосфат (8.11) под действием фосфотриозоизомеразы [7]. CH2OPO32 CH2OPO32 C H2 C O OH (8.10) HC OH HC O 7 (8.11) Go = -1 +7,6 кДж моль . Данная реакция обратима, причем равновесие достигается, когда доля дигидроксиацетонфосфата составляет около 90%. Смещение равновесия в сторону образования глицеральдегид-3-фосфата достигается путем постоянного понижения его концентрации за счет отвода из зоны реакции и активного использования на следующих стадиях гликолиза. Этап 6 - окисление глицеральдегид-3-фосфата (8.11) до 1,3- дифосфоглицерата (8.14). Биохимическое значение этого этапа заключается в образовании высокоэнергетического соединения (8.14) за счет окисления субстрата (8.14). Первой реакцией является взаимодействие (8.11) с глицеральдегид-3фосфатдегидрогеназой [8], в активном центре которой за счет остатка цистеина имеется тиольная группа. В результате этой реакции образуется тиополуацеталь (8.12) , который окисляется NAD+ до тиоэфира (8.13). Тиоэфир является макроэргическим соединением и при фосфоролизе превращается в смешанный ангидрид фосфоглицериновой и фосфорной кислоты - 1,3- дифосфоглицерат (8.14). CH2OPO32 CH2OPO32 CH2OPO32 + NAD 8 E-SH HC OH HC OH + HC OH _ ES O ( ES C NADH + H ) C HC O OH (8.11) H (8.12) (8.13) + (Pi) _ E-SH CH2OPO32 HC OH C O O PO32 (8.14) Этап 7 – гидролиз 1,3- дифосфоглицерата (8.14) до 3-фосфоглицерата (8.15), катализируемый фосфоглицераткиназой [9]. Значение этой реакции заключается в том, что фосфорильный остаток переносится с 1,3дифосфоглицерата (8.14) на ADP с образованием ATP. Поскольку из одной молекулы глюкозы образовалось две молекулы 1,3- дифосфоглицерата, то, следовательно, получаем две молекулы ATP. CH2OPO32 CH2OPO32 +ADP 9 HC OH C O O PO32 (8.14) Это HC OH C O O +ATP G= -18,9 кДж моль-1 (8.15) o превращение . сопровождается значительным понижением свободной энергии. Равновесие сдвинуто вправо, что благоприятствует протеканию предыдущих реакций. При избыточной концентрации 3фосфоглицерата реакция обратима. Этап 8 – изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерата (8.16). CH2OPO32 HC OH C O O CH2OH 10 HC O PO32 C O O Go= +4,4 кДж моль-1 . (8.15) (8.16) Эта реакция обратима, протекает с небольшим понижением свободной энергии и катализируется фосфоглицератмутазой [10] Третья стадия гликолиза состоит из двух реакций, в результате которых из 2-фосфоглицерата образуется пируват. Этап 9 – дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата (8.17), катализируемая енолазой [11]. CH2OH HC O PO32 C O O CH2 11 C O PO32 C O O Go= +1,8 кДж моль-1 . (8.16) В результате фосфоенолпируват, (8.17) этой реакции образуется свободная энергия в ходе макроэргический реакции изменяется незначительно и поэтому данный процесс обратим. Этап 10 – гидролиз фосфоенолпирувата в присутствии пируваткиназы [12] через стадию образования енолпирувата до пирувата (8.18). CH2 C O PO3 C O O +ADP 12 2 o G= -31,4 кДж моль-1 . (8.17) CH2 CH3 C OH C O O C C O +ATP (8.18) O O На этой стадии макроэргический фосфоенолпируват используется для синтеза ATP. В физиологических условиях этот процесс не обратим, так как сопровождается значительным понижением энергии. Таким образом, если гликолиз начинается с глюкозы, то на образование глюкозо-1-фосфата и фруктозо-1,6-дифосфата расходуется 2 молекулы ATP. Однако в результате фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакций образуется 2 молекулы ATP. Однако если учесть, что 1 молекула фруктозо1,6-дифосфата расщепляется не 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата, то их последующее превращение в пируват сопровождается образованием 4 молекул ATP. Таким образом, в результате гликолитического расщепления глюкозы суммарный выход ATP составляет 2 молекулы. Если же гликолиз начинается с гликогена, выход ATP составляет 3 молекулы. Кроме того, в результате гликолиза из глюкозы образуется NADH и пируват, который в зависимости от условий подвергается дальнейшим превращениям. В аэробных условиях пируват вовлекается в общий путь катаболизма, а в анаэробных – превращается в лактат. Если пируват не восстанавливается до лактата, то он попадает внутрь митохондрий благодаря транспортной системе, обеспечивающий его антипорт и ионами HO-. В матриксе митохондрий пируват взаимодействует с коферментом А (CoA-SH) с образованием ацетил-CoA (ацетил-кофермент А) в присутствии пируватдегидрогеназы. Прежде всего следует остановится на коферменте А (рис.8.13, соединение 8.19), роль которого заключается в переносе ацетильной группы от одного соединения к другому. Превращение пирувата в ацетил-CoA сложный процесс, в котором занято несколько ферментов и промежуточных продуктов. Процесс начинается с образования реакционноспособного производного из пирувата и тиаминпирофосфата (TPP). В результате потери диоксида углерода возникает аддукт ацетальдегида с TPP. Этот аддукт, или «активный альдегид» (8.20), CH3 CH2CH CH3 пантотеновая кислота N O- O - O P O P O O бета-меркаптоэтиламин CH CONHCH2CH2CONHCH2CH2 SH NH2 OH N аденин N N H рибоза O H O H H O HO O фосфат - O P OO CoA (8.19) Рис 8.13 Строение кофермента А взаимодействует с липоевой кислотой (8.21), давая ацетилдигидролипоевую кислоту (8.22), - тиоэфир уксусной кислоты. S S + OH O CH3 C COO (8.18) В + TPP CH3 C TPP H _ CO2 (8.20) результате ацетилдигидролипоевой (CH2)4COOH (8.21) CH3 C (CH2)4COOH S (8.22) реакции кислотой HS O переэтерификации и коферментом ацетилкофермент А (8.23) и дигидролипоевая кислота (8.24) А между образуется HS O CH3 C O (CH2)4COOH +CoA-SH S CH3 C (CH2)4COOH (8.24) (8.23) (8.19) (8.22) HS HS SCoA + NAD+ окисляется в Дигидролипоевая кислота под действием липоевую кислоту с выделением NADH +H+ и процесс повторяется снова. Следует понимать, что выделяется два (NADH +H+), так как молекула глюкозы дает две молекулы пирувата. Ацетилкофермент А, полное окисление ацетильного остатка которого до воды и углекислого газа осуществляется при участии мультиферментного ансамбля, обеспечивающего протекание серии реакций, образующих цикл, названный циклом Кребса. 8.3.2 Цикл Креба Цикл Кребса происходит в матриксе митохондрии и является главным центром, в котором сходятся многие метаболические пути. Это конечный путь окисления ацетильных групп ( в виде ацетил-CoA), в которые в процессе катаболизма превращается большинство пищевых молекул. Цикл Кребса осуществляется в восемь этапов. Этап 1 представляет собой нуклеофильное присоединение ацетил-CoA (8.23) по двойной связи оксалоацетата (8.25) при участии цитратсинтазы [13]. Образующийся цитрилкофермент А (8.26) легко гидролизуется до цитрата (8.27) и CoA-SH.. Суммарная реакция необратима, поскольку ∆ Go= 38,2 кДж·моль -1. O CH3 C O SCoA (8.23) O C COO CH2 COO (8.25) 13 CH2 C HO C COO CH2 COO (8.26) O SCoA CH2 C + H2 O -HSCoA HO C COO CH2 COO (8.27) O Этап 2 заключается в изомеризации цитрата в изоцитрат (8.29) и осуществляется за счет двух последовательных реакций: дегидратации исходного цитрата и гидратации образующегося промежуточного цисаконита (8.28). Реакция катализируется аконитазой [14]. O O O CH2 C O O CH2 C 14 + H2O C COO HO C COO CH2 COO HC CH2 C 14 HC COO HO CH COO COO (8.29) (8.28) (8.27) O Этап 3 – одновременное дегидрирование до оксалосукцината (8.30) и декарбоксилирование изоцитрата изоцитратдегидрогеназой [15] в αкетоглутарат (8.31). O CH2 C COO CH2 C 15 +NAD HC COO HO CH O O O -NADH+H CH2 C O HC COO 15 O -CO2 (8.29) C COO CH2 O 4 кетоглутарата – реакция (8.31) в C COO (8.31) (8.30) Этап O окислительного сукцинил-CoA декарбоксилирования (8.32). Это α- превращение катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназой [16]. Суммарную реакцию данного процесса можно изобразить в виде O O CH2 C O CH2 O C COO (8.31) CH2 C 16 +NAD +Co-SH -(NADH+H) -CO2 O CH2 O C S CoA (8.32) Этап 5 – гидролиз сукцинил-CoA (8.32) до сукцината (8.35) сопряженный с синтезом GTP (8.36). Изменение свободной энергии гидролиза тиоэфира (8.31) составляет -35,5 кДж·моль-1. Энергия этой связи используется для образования высокоэнергетической связи в GTP. Данное превращение катализирует сукцинил-CoA-синтетаза [17]. Реакция начинается с атаки неорганического фосфата тиоэфирной группы в сукцинил-CoA, в результате чего образуется сукцинил-фосфат (8.33) и CoASH. O O CH2 C HO CH2 O P O O O C + CoA-SH O CH2 Pi (8.32) O CH2 C 17 O S CoA C O O P O O (8.33) Далее фосфатный остаток переносится на гуанозиндифосфат (GDP, 8.34) с образованием гуанозинтрифосфата (GTP,8.36). O CH2 C O O C (8.33) P O CH2COO O P O O O + O CH2COO O гуанинмонофосфат O O P O (8.35) O P O O CH2 O O гуанинмонофосфат (GTP 8.36) (GDP 8.34) Суммарное уравнение для этих сопряженных реакций Сукцинил-CoA + GDP + Pi→ Сукцинат + GTP +CoA-SH ∆Go= -2,9 кДж·моль-1 Энергия GTP направляется на синтез одной молекулы ATP при действии нуклеозидфосфаткиназы. GTP + ADP → ATP + GDP Этап 6 – реакция дегидрирования сукцината в фумарат (8.37) при действии сукцинатдегидрогеназы [18] с участием окисленной формы FAD. CH2COO H C + Enz-FAD 18 CH2COO COO + Enz-FADH2 C H OOC (8.35) (8.37) Этап 7 – присоединение молекулы воды по двойной связи фумарата в присутствии фумаразы [19] с образованием исключительно L-малата (8.38). H C COO + H2O C 19 CH2COO H OOC OH CH-COO (8.37) (8.38) Этап 8 заключается в регенерации оксалоацетата (8.25) за счет дегидрирования L-малата малатдегидрогеназой [20] и окисленной формой NAD+. OH CH-COO 20 + NAD CH2COO (8.38) O C COO CH2 COO + NADH+H (8.25) Эта реакция является эндоэргонической (∆Go= +29,7 кДж·моль-1) и сама по себе она бы не протекала. Но дело в том, что образование оксалоацетата замыкает цикл и дальше идет этап 1 цикла Кребса – превращение оксалоацетата в цитрат. Это процесс экзоэргонический, поэтому концентрация оксалоацетата мала и равновесие смещено в сторону образования оксалоацетата. Полный цикл Кребса представлен на рис.8.11. Итак, в результате цикла Кребса молекула пирувата, поступившая из цитоплазмы в митохондрию, превратилась в 3 молекулы углекислого газа, при этом восстановилось 3 молекулы NAD+ и 1 молекула FAD, а также образовалась одна молекула GTP (ATP). Все реакции в цикле протекают согласованно в одном направлении. Это обусловлено тем, что трем из всех реакций отвечают столь большие по абсолютной величине отрицательные значения ∆Go, что они являются практически необратимыми. Одна из таких реакций – синтез цитрата (∆Go=38,2 кДж·моль-1), другая –декарбоксилирование изоцитрата в α-кетоглутарат (∆Go=-20,9 кДж·моль-1), третья – образование сукцинил-CoA из α- кетоглутарата (∆Go=-37,0 кДж·моль-1). Это приводит к тому, что цикл работает в одном направлении, несмотря на то, что малатдегидрогеназная реакция имеет ∆Go=+28,1 кДж·моль-1. Суммарная величина ∆Go=-40,0 кДж·моль-1. Общее уравнение цикла Кребса (превращение ацетил-CoA) имеет вид ацетил-CoA + 2H2O + Pi + GDP +3 NAD+ +FAD→ 2CO2+3NADH+3H++FADH2+CoA-SH+GTP Учитывая, что 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пирувата, гликолиз вместе с циклом Кребса позволяет получить 4 молекулы ATP. Работа цикла Кребса настолько надежна, что патологических состояний связанных со сбоями в его реакциях, не обнаружено. Это указывает на важность реакций цикла Кребса для организма и хорошую защищенность его от внешних воздействий. изоцитрат 14 цис-аконитат CO2 . Go= -20,9 кДжмоль-1 +H2O NAD . Go= +6,7 кДж моль-1 14 15 α- кетоглутарат -H2O CoA-SH CoA-SH . 13 3 NADH+H 1 FADH2 предоставляют энергию необходимую для образования ATP Go= -38,2 кДж моль-1 ацетил-CoA H2O оксалоацетат CO2 сукцинил-CoA GDP+Pi 17 G = -8,8 кДж моль-1 GDP G = +28,1 кДж. моль o -1 FAD 20 . малат сукцинат Go= -3,8 кДж моль-1 H2O 19 . o NAD фумарат Рис.8.11 Полный цикл Кребса . Go= -37,0 кДж моль-1 16 NAD цитрат 18 . Go= 0 кДж моль-1 CoA-SH 8.3.3 Электронтранспортная цепь В настоящее время электронтранспортная цепь представляется в виде полиферментной цепи переноса электронов и протонов от субстрата к кислороду, образованной окислительно-восстановительными ферментами, которые расположены в липидном слое внутренней мембраны митохондрий клеток. Окисление субстрата можно представить следующим суммарным уравнением: AH2 + ½O2→ A + H2O Это превращение включает большое количество стадий, в которых участвуют переносчики электронов и протонов. К ним относятся NAD+, FAD, FMN, цитохромы, железо-серные комплексы, убихинон (см. раздел 8.1). NAD+ отнимает два электрона и два протона от субстрата (AH2) и образует восстановленную форму NADH+H+. AH2 + NAD+ → A + NADH+H+ Далее два электрона и два протона переносятся от восстановленного (NADH+H+) к FMN, который связан с белком, встроенным в митохондриальную мембрану и пронизывающего ее от внешней до внутренней поверхности (рис. 8.15) NADH+H+ + FMN→ FMNH2 + NAD+ Благодаря этому восстановленный FMNH2 переносит протоны от внутренней поверхности мембраны к внешней. На этом участке цепи путь электронов и протонов расходятся: протоны выделяются в межмембранное пространство, а два электрона переносятся от FMNH2 к связанному с ним железо-серному комлексу (FeSПр1), а затем через цитохром b562 на убихинон FMNH2 2e-H FeSПр1 2e- b562 2e- CoQ Убихинон присоединяет два протона из внешнего пространства митохондрий с образованием восстановленного CoQH2 CoQ + 2H+ + 2e → CoQH2 редокс-потенциал межмембранное пространство A FMN 2H 1 петля NADH+H FMNH2 2e NAD FeSПр1 2e наружная мембрана матрикс внутренняя мембрана 2H 2 петля Fe3 Fe2 b562 2H CoQ CoQH2 2e 2e Fe3 Fe2 b566 FeSПр2 2H 3 петля 2e CoQ CoQH2 2H 2e 2e уровень свободной энергии Fe 3 c1 Fe3 a 2 Fe Fe3 c2 Fe2 2H 2e Fe2 2e Fe3 a3 Fe2 1/2O2 H2O ATP nH nH ATPаза внутренняя мембрана ADP+Pi AH2 Рис 8.15 Связь электронтранспортной цепи и окислительного фосфорилирования Таким образом, замыкается первая петля цепи. Благодаря хорошей растворимости убихинона в липидном слое мембран он может мигрировать от одной стороны мембраны к другой, перенося протоны. Далее разделение протонов и электронов повторяется (2 петля), при этом два электрона через цитохром b566 и железо-серный комплекс FeSПр2 возвращаются на внешнюю сторону мембраны и связываются окисленным CoQ совместно с двумя протонами из окружающей среды. Новый восстановленный CoQH2 опять участвует в переносе протонов через мембрану. При этом возврат пары электронов на внешнюю сторону мембраны осуществляется через систему последовательно сопряженных цитохромов (c1, с, a, a3)(3 петля). Комплекс цитохромов переносит электроны на молекулу кислорода, каждый атом которого присоединяет по два электрона и два протона, восстанавливаясь до молекулы воды O2+ 4e+4H+ → 2H2O Таким образом, через электронтранспортную цепь электроны переходят от субстрата к конечному акцептору – кислороду. Направление переноса электронов и протонов в цепи определяется редокс-потенциалами ее компонентов. Поток электронов направлен от переносчика с более высоким восстановительным потенциалом (т.е. меньшим редокс-потенциалом) к переносчику с более низким восстановительным потенциалом (т.е. более окисленному, с большим редокс-потенциалом) Так как потенциал водородного электрода равен -0,42В, то перенос электронов и протонов от субстрата к кислороду (Eo/=+0,82B) начинает NAD+ (Eo/=-0,32 B). Как уже говорилось, значения редокс-потенциалов непосредственно связаны с изменениями свободной энергии. Переносчики электронов расположены в цепи так, что ∆ Go постепенно уменьшается, а редокспотенциал возрастает. Таким образом, на каждом этапе переноса протонов и электронов соседнему по цепи переносчику высвобождается свободная энергия, которая используется в реакции окислительного фосфорилирования ADP ADP + Pi → ATP + H2O Выяснено, что перенос пары электронов от NADH к кислороду сопровождается синтезом трех молекул ATP. 8.3.4 Механизм окислительного фосфорилирования В настоящее время общепринятой является хемиосмотическая теория Питера Митчелла, сформулированная им в 1961 г. В 1978 г. он получил за разработку этой теории Нобелевскую премию. Как уже было, показано в мембране митохондрий происходит активный перенос протонов изнутри наружу (протонный насос). Перенос протонов приводит к возникновению разности концентраций протонов с двух сторон митохондриальной мембраны, так что более высокая концентрация будет снаружи, более низкая – внутри. Возникает градиент концентраций протонов (или pH), который способен совершать работу. Так перепад уровня воды приводит в действие турбогенераторы гидростанций, разница атмосферного давления порождает воздушный поток, заставляющий работать ветряные мельницы и т.д. Химические градиенты не являются исключением. Если на пути движущихся по концентрационному градиенты (от высокой концентрации к низкой ) молекул разместить подходящее устройство, то этот поток можно использовать для выполнения полезной работы. Выкачивание протонов из митохондрий приводит также к появлению мембранного электрического потенциала, так как в результате выхода протонов из матрикса в среду наружная мембрана становится более электроположительной, а внутренняя – более электроотрицательной. Таким образом, перенос протонов создает электрохимический градиент протонов, включающий два компонента – градиент pH и мембранный потенциал: εo = ∆φ - Z∆pH, где εo – электрохимический потенциал; ∆φ – мембранный потенциал; Z∆pH – градиент pH. Большую часть электрохимического потенциала составляет мембранный потенциал, а в градиент pH коэффициент Z служит для перевода pH в милливольты. Зная общую величину изменения электрохимического потенциала, можно найти и величину изменения свободной энергии. Выведенные наружу протоны снова устремляются через ATPазу (рис.8.15) в матрикс, где низкое содержание протонов, но достаточное для образования воды количество HO-. В ходе перемещения протонов по градиенту выделяется энергия, расходующаяся на синтез ATP. Протоны вначале протонируют Pi , затем от него отщепляется вода и фосфат превращается в очень реакционную частицу Pi* H O HO P O O H Pi OH O HO P OH -H2O O P O + ADP ATP OH Pi* Рис. 8.16 Участие протонов в образовании ATP. которая реагирует с ADP в активном центре ATPазы с образованием ATP. 8.3.5 Количество ATP, синтезируемое в процессе окисления глюкозы Было выяснено, что окисление одной молекулы NADH сопровождается синтезом трех молекул ATP, а окисление одной молекулы FADH2 , дает 2 молекулы ATP. В результате гликолиза образуется 2 молекулы ATP (или 3 молекулы, если исходить из гликогена) и 2 молекулы NADH. В результате пируватдегидрогеназной реакции было получено 2 молекулы NADH. В цикле Кребса образуется 2 молекулы ATP (у млекопитающих это 2 GTP), 6 молекул NADH и 2 молекулы FADH2. В результате 10 молекул NADH дают 30 молекул ATP, 2 молекулы FADH2 – 4 молекулы ATP. Сюда следует добавить 4 молекулы ATP, выделяющиеся в результате гликолиза и цикла Кребса. Всего получается 38 молекул ATP, или около 2800 кДж. Из них 1250 кДж сохраняется в виде молекул ATP, а остальные расходуются в виде тепла и превращаются в другие виды энергии. Коэффициент полезного действия биосинтеза ATP равен 44%. 8.4 Образование энергии из жиров Жиры являются наиболее компактной формой хранения энергии поскольку они менее окислены и гидратированы по сравнению с гликогеном. При окислении жиров, как и при окислении глюкозы, образуется ацетилCoA, который вступает в цикл Кребса, а далее в электронтранспортной цепи синтезируются молекулы ATP. Разница заключается в том, что при окислении жиров отсутствует стадия гликолиза. Прежде чем начнется окисление, запасенные организмом жиры должны подвергнутся гидролизу для высвобождения жирных кислот. Липаза a (из поджелудочной железы) разрывает сложноэфирные связи 1 и 3 в молекуле триглицерида, а липаза b (из слизистой желудка) разрывает связь 2, в результате чего образуются глицерин и жирные кислоты. Глицерин вступает в реакцию гликолиза а жирные кислоты подвергаются специфическому процессу – β-окисление жирных кислот. 8.4.1 β-Окисление предельных жирных кислот β-Окисление жирных кислот было впервые изучено в 1904 г. Ф. Кноопом. Благодаря работам Ф. Линена с сотрудниками (1954-1958 гг.) были выяснены основные ферментативные процессы окисления. В честь этих ученых процесс β-окисления получил название цикла Кноопа-Линена. По современным представлениям процессу окисления жирных кислот предшествует их активация в цитоплазме путем синтеза их ацил-CoA при участии ацил-CoA-синтетазы. RCOO- + 2ATP + CoA-SH → RCO-S-CoA + 2ADP + PPi ∆ Go= -0,9кДж·моль-1 Как видно изменение свободной энергии невелико, однако действие пирофосфата приводит к тому, что суммарный процесс оказывается сильно экзоэргоническим и необратимым (∆ Go= -32,5кДж·моль-1). В форме ацил-CoA жирные кислоты поступают в митохондрии, в матриксе которых они подвергаются β-окислению. Первой реакцией является дегидрирование ацил-CoA (8.39) с образованием с образованием транс-2,3-еноил-CoA (8.40), катализируемое ацил-CoA-дегидрогеназой [21] в присутствии FAD. O C15H31CH2 CH2 C 21 C15H31 H C SCoA FADH2 FAD O C C H SCoA (8.40) (8.39) Вторая реакция – гидратация двойной связи – катализируется еноил-CoAгидратазой [22] с образованием гидроксиацил-CoA (8.41). H2O C15H31 22 H C O C C H реакция C15H31CH CH2 C OH SCoA SCoA (8.41) (8.40) Третья O – окисление вторичной спиртовой группы до карбонильной, которое осуществляется гидроксиацил-CoA-дегидрогеназой [23] и окисленной формой NAD+. O O CH2 C C15H31CH OH 23 C15H31C O SCoA NAD (8.41) NADH+H CH2 C SCoA (8.42) В результате окисления образуется β-кетоацил-CoA (8.42), из-за чего весь процесс в целом получил название β-окисление. Четвертая реакция, катализируемая кетоацил-CoA-тиолазой [24], сопровождается окислительно-восстановительным расщеплением связи Cα-Cβ с отщеплением ацетил-CoA (8.23) и присоединением остатка CoA по месту разрыва связи с образованием С15-ацил-CoA (8.43). O C15H31C O CH2 C (8.42) SCoA O CoA-SH 24 C15H31C SCoA + CH3 C SCoA O (8.43) (8.23) Таким образом, углеродная цепочка жирной кислоты укорачивается на два атома углерода, которые освобождаются в виде ацетильной группы ацетил-CoA. CH3(CH2)14C 1 CH3C SCoA O 2 SCoA + CH3C SCoA O SCoA + O O CH3(CH2)12C O O CH3(CH2)10C SCoA + O CH3(CH2)8C O SCoA + CH3C SCoA O 4 SCoA + CH3C SCoA 5 O CH3(CH2)6C O O O CH3(CH2)4C CH3C SCoA SCoA + CH3(CH2)2C CH3C SCoA SCoA + 7 O O O CH3C CH2 C O 6 O O O -обозначает повторение четырех реакций 3 CH3C SCoA O O O SCoA (8.44) последняя реакция O CoA-SH CH3C SCoA O 8 CH3C SCoA 9 O Последовательное повторение этих четырех реакций приводит, через стадию образования ацетоацетил-SCoA (8.44), к получению девяти молекул ацетил-CoA, которые вступают далее в цикл Кребса, а NADH и FADH2 поступают в электронтранспортную цепь. Таким образом, при окислении пальмитиновой кислоты на первой стадии происходит активация, на что затрачивается 2 молекулы ATP.Затем протекают семь циклов β-окисления. При этом образуются 7 молекул FADH2 и 7 молекул NADH+H+. Оба соединения включаются в электронтранспортную цепь. Окисление FADH2 дает 2 молекулы ATP, а NADH+H+ - 3 молекулы ATP. Поэтому окисление одной молекулы пальмитиновой кислоты дает 33 (7·5=35-2) молекулы ATP.Окисление каждой молекулы ацетил-CoA приводит к образованию 12 молекул ATP (3 NADH→ 9 ATP, 1 FADH2 → 2 ATP, 1GTP (ATP), что означает получение еще 96 молекул (8·12) ATP. Итак, при утилизации одной молекулы пальмитиновой кислоты синтезируется 129 молекул ATP. Таким образом, энергетическая ценность жирных кислот намного выше, чем глюкозы. Однако в процессе окисления глюкозы образуется оксалоацетат, который облегчает включение ацетильных остатков жирных кислот в цикл Кребса. 8.4.2 β-Окисление жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов Небольшая часть жирных кислот в пищевых продуктах имеет нечетное число углеродных атомов. При β-окислении таких кислот образуется несколько молекул ацетил-CoA и одна молекула пропионил-CoA (8.45). Последняя карбоксилируется в присутствии пропионил- SCoA – карбоксилазы [25] до D-метилмалонил- SCoA (8.46), которая далее изомеризуется в L-метилмалонил- катализируется метилмалонил-SCoA-рацемазой внутримолекулярной SCoA перегруппировки (8.47). Изомеризация [26]. В результате L-метилмалонил- SCoA (метилмалонил-SCoA-мутаза [27]) превращается в сукцинил- SCoA (8.48), который далее вступает в цикл Кребса. CH3(CH2)nC SCoA CoAS-C O цикл Кребса O (8.48) 3.внутримолекулярная перегруппировка (n-нечетное) β-окисление 27 2.изменение конфигурации H 1.карбоксилирование CH3CH2C O (8.45) CH2CH2COO SCoA 25 COO CH3C COSCoA ATP CO2 ADP+Pi 26 CH3C COSCoA H COO (8.46) (8.47) Рис. 8.18 β-Окисление жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов 8.4.3 β-Окисление непредельных жирных кислот Расщепление непредельных жирных кислот в ходе β-окисления можно показать на примере линолевой кислоты (8.49), которая при активации ацилCoA-синтетазой [26] превращается в линолеил-SCoA (8.50). Далее следует три цикла β-окисления и в ацил-CoA (8.51) под действием цис-трансизомеразы [27] одна из цис-связей превращается в транс-связь и передвигается (8.52). После чего по вышеописанному пути происходит два цикла β-окисления. Полученный ацил-CoA (8.53) гидратируется в присутствии еноил-CoA-гидратазой [22]. Полученный D-изомер (8.54) превращается в присутствии изомеразы [23] в L-изомер (8.40), который подвергается четырем циклам β-окисления. В результате образуется девять молекул ацетил-CoA. 16 18 15 17 8 11 14 13 12 6 7 9 10 2 4 5 COOH (8.49) 1 3 активация 26 16 18 15 17 16 18 13 12 12 2 4 3 COSCoA 1 -2C -2C -2C 5 8 11 13 6 7 9 10 14 15 17 8 11 14 COSCoA 7 9 10 (8.50) (8.51) 27 16 18 15 17 8 11 14 13 12 10 9 -2C 16 18 11 14 15 17 COSCoA 7 -2C COSCoA 13 (8.52) (8.53) 12 22 16 18 12 14 11 15 17 (8.54) OH H D- COSCoA 13 23 16 18 14 12 11 COSCoA 13 -2C -2C H OH -2C -2C L17 (8.55) 15 Рис. 8.19 β-Окисление непредельных жирных кислот 8.5 Образование энергии из аминокислот Окисление аминокислот сходно с окислением глюкозы и жирных кислот, хотя и отличается деталями. Все 20 аминокислот могут использоваться для получения энергии, если их количества превышают потребности организма в синтезе белка. Схема получения энергии из аминокислот универсальна: аминокислоты дезаминируются, углеводородная часть используется для получения ацетил-CoA или пирувата, которые вовлекаются в цикл Кребса (рис.8.20). глюкоза e гликолиз пируват аминокислоты e жирные кислоты ацетил-CoA электрон транспортная цепь e цикл Кребса e ADP+Pi e ATP O2 H H2O Рис.8.20 Окисление глюкозы, жиров и аминокислот для получения энергии Избыток глюкозы может перерабатываться в жиры. Это происходит благодаря тому, что жирные кислоты синтезируются из ацетил-CoA по схеме: глюкоза→пируват→ ацетил-CoA→жирные кислоты. Однако у млекопитающих жирные кислоты не могут быть превращены в глюкозу, так как ее синтез протекает с непременным участием пирувата, а его нельзяполучить из ацетил-CoA из-за необратимости реакции, катализируемой пируватдегидрогеназой. Поэтому жирные кислоты не могут превращаться в глюкозу, но глюкоза может превращаться в триглицериды (рис.8.21). глюкоза гликолиз расщепление жирные кислоты глюконеогенез пируват хреакция невозможна ацетил-CoA синтез цикл Кребса Рис.8.21 Изображение, показывающее, почему глюкоза может превращаться в жирные кислоты, а жирные кислоты в глюкозу не могут. Вопросы для самоконтроля к главе 8. 1. Что представляют собой три этапа окисления глюкозы и где они протекают? 2. Опишите строение NAD+. Изобразите его электронакцепторную группу в окисленной и восстановленной форме. Каким образом NAD+ переносит водород между субстратами? 3. Редокс-пара FAD+2H++2e→FADH2 характеризуется Eo'= -0,219В, а редокс-пара ½O2+2H++2e→H2O имеет Eo'= +0,816В. Вычислите ∆Go при окислении FADH2 кислородом до воды. 4. Почему в цикле Кребса продукт окисления изоцитрата декарбоксилируется, а сам он – нет? 5. Для чего нужна митохондриям электронтранспортная цепь? 6. Сколько молекул ATP образуется при расщеплении в гликолитическом пути 1 молекулы глюкозы и 1 глюкозильного остатка гликогена? 7. Объясните, как монененасыщенный жир (∆9) окисляется в ацетил-CoA? 8. Каков выход ATP при окислении стеариновой кислоты? 9. Расскажите о строении и функции FAD? 10. В чем разница между аэробным и анаэробным гликолизом в мышцах? Когда используется анаэробный гликолиз 11. Опишите строение кофермента А. Какая часть его молекулы используется в качестве акцептора ацильных остатков? Каково ∆Go гидролиза тиолового эфира? Сравните эту величину с ∆Go гидролиза карбоксильного эфира. 12. Опишите реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназой, и приведите значения ∆Go. 13. Какова в норме судьба образующегося в пируватдегидрогеназной раекции ацетил-CoA? 14. В результате гликолиза и цикла лимонной кислоты образуется NADH и FADH2. Какова дальнейшая судьба этих соединений? Часть 4. АНАБОЛИЗМ До сих пор мы рассматривали катаболитические реакции, в результате которых происходило расщепление жиров и углеводов. Другой задачей метаболизма является анаболизм, т.е. синтез молекул. Рассмотрение анаболитических реакций следует начать с биосинтеза жиров, который включает в себя биосинтез самих жирных кислот и образование на их основе триглицеридов и фосфолипидов. Глава 9. Механизм биосинтеза жиров Биосинтез жиров осуществляется главным образом из углеводов, которые поступают в избыточном количестве и не используются организмом для пополнения запасов гликогена. 9.1 Биосинтез жирных кислот Биосинтез жирных кислот начинается с превращения ацетил-CoA (9.1) в малонил- CoA (9.2), в котором энергии ATP используется для введения диоксида углерода. Эта реакция катализируется ацетил- CoA- карбоксилазой [1]: CH3CO-SCoA + HCOO (9.1) ATP ADP+Pi+H 1 OOC CH2CO-SCoA (9.2) Весь механизм биосинтеза жирных кислот состоит из шести стадий. 1 стадия заключается во взаимодействии ацетил- CoA (9.1) с ферментной системой, который называется синтаза жирных кислот (9.3). Эта ферментная система состоит из ацилпереносящего белка (АПБ) и βкетоацил-синтазы [2]. Обе эти части синтазы имеют тиольные группы. Перенос ацетильной группы на тиольную группу АПБ происходит при участии АПБ-ацетилтрансферазы [3] с образованием ацетил-АПБ (9.4): АПБ 2 CH3CO-S-CoA (9.1) CoA-SH SH АПБ 3 2 SH S-COCH3 SH (9.4) (9.3) Во второй стадии происходит перенос ацетильной группы с АПБ на другую составную часть синтазы - β-кетоацил-синтазу. В результате этого место посадки ацетильной группы на АПБ оказывается снова свободным: S-COCH3 АПБ 2 SH АПБ SH S -COCH3 2 (9.4) (9.5) В третьей стадии принимает участие малонил- CoA (9.2), который ацилирует тиольную группу АПБ в присутствии АПБ-малонилтрансферазы [4] с образованием малонил-АПБ (9.6): OOC (9.2) SH АПБ CH2CO-SCoA CoA-SH S -COCH3 2 S -COCH3 2 4 (9.5) S-CO-CH2COO АПБ (9.6) Четвертая стадия является реакцией необратимой. Благодаря этой стадии весь путь синтеза жирных кислот становится подобным дороге с односторонним движением. Протекает эта реакция при участии β-кетоацилАПБ-синтазы [5], в результате декарбоксилирования выделяется диоксид углерода и образуется β-кетоацил-АПБ (9.7) CO2 АПБ S-CO-CH2COO S -COCH3 2 (9.6) АПБ 5 S-Co-CH2COCH3 SH 2 (9.7) Пятая стадия представляет собой восстановление карбонильной группы при β-углеродном атоме, которое осуществляется через три последовательно протекающие реакции с участием такого переносчика электронов как NADPH ( но не NADH!)(см. раздел ) АПБ SH 2 H NADP NADPH+H S-CO-CH2COCH3 7 (9.71) NADP NADPH+H S-CO-CH=CHCH3 SH 2 OH SH 2 (9.7) АПБ S-CO-CH2CCH3 АПБ 6 H2 O АПБ 8 SH 2 (9.72) S-CO-CH2-CH2CH3 (9.8) Первая реакция, катализируемая β-кетоацил-АПБ-редуктазой [6], приводит к β-гидроксибутирил-АПБ (9.71). Во второй реакции (9.71) отщепляет воду в присутствии β-гидроксиацил-АПБ-дегидратазы [7] с образованием (9.72). В ходе третьей реакции двойная связь восстанавливается и в присутствии еноил-АПБ-редуктазы [8] образуется бутирил-АПБ (9.8). На шестой стадии система переходит в состояние (9.9) аналогичное (9.5), где тиольная группа АПБ свободна. Единственное отличие заключается в том, что место ацильной группы в (9.5) занимает бутирильная. Если описанные реакции пройдут еще раз, то бутирильный радикал превратиться в гексаноильный. Еще пять оборотов цикла приведут к образованию пальмитоил-АПБ (9.10), который в присутствии ацил-АПБ-гидролазы [9]дает пальмитиновую кислоту (9.11). Таким образом жирные кислоты синтезируются из ацетил-CoA – соединения с двумя атомами углерода. Это приводит к тому, что все природные соединения имеют четное число углеродных атомов. АПБ S-CO-CH2-CH2CH3 АПБ SH 2 2 (9.8) АПБ SH x7 S-CO-CH2-CH2CH3 (9.9) SH 2 9 (9,3) + OOC-(CH2)14CH3 (9.11) S-CO-(CH2)14CH3 (9.10) Ненасыщенные жирные кислоты нужны организму для синтеза липидов и эйкозаноидов (простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов). Липиды используются для построения клеточных мембран, а эйкозаноиды выполняют множество физиологических функций. Они вызывают боль, воспаление и жар, стимулируют сокращение гладкой мускулатуры, участвуют в регуляции кровяного давления, вызывают агрегацию тромбоцитов, стимулируя свертывание крови. В печени есть специальная ферментная система, которая может внедрить одну двойную связь в середину цепи стеариновой кислоты, превращая ее в олеиновую (18:1,9Z). Однако эта ферментная система не может образовать еще одну двойную связь между центральной двойной связью и метильным концом молекулы. Поэтому такие кислоты как линолевая (18:2,9Z,12Z) и линоленовая (18:3,9Z,12Z,15Z) в организме синтезироваться не могут. Но поскольку они нужны для синтеза мембранных липидов и эйкозаноидов, то главным источником их получения является пища (растительные масла). В печени ферментная система удлиняет цепь линолевой и линоленовой кислот, а также может образовывать дополнительные двойные связи. Таким образом , получается арахидоновая кислота (20:4,5Z,8Z,11Z,14Z). Все эти последние превращения совершаются при участии ацетил-CoA. 9.2 Биосинтез триглицеридов Для образования сложноэфирных связей между глицерином и жирной кислотой последнюю необходимо активировать путем превращения в ацилCoA при участии ацил-CoA-синтетазы. RCOO- + ATP + CoA-SH → RCO-S-CoA + AMP + PPi Акцептором ацильных групп является не сам глицерин, а глицерин-3трифосфат (9.11), который образуется либо из глицерина (9.12) в присутствии глицеринкиназы [10], либо из дигидроацетонфосфата (9.13). Это превращение катализируется глицерофосфатдегидрогеназой [11]. NAD NADH+H ADP ATP HO CH2 HO CH2 HO CH2 O C HO CH HO CH CH2 (9.13) 11 OPO32 CH2 (9.11) 10 OPO32 CH2 (9.12) OH пища Далее глицерин-3-трифосфат (9.11) принимает 2 молекулы ацил-CoA (9.14) и образуется фосфатидная кислота (9.15). Все это катализируется ацилтрансферазой [12]. 2R C S-CoA (9.14) 2CoA-SH HO CH2 O HO CH CH2 (9.11) OPO32 12 O R C O CH2 R C O CH O CH2 (9.15) OPO32 Фосфатидная кислота гидролизуется в присутствии фосфатидатфосфатазы [13] до диглицерида (9.16). Это же соединение образуется из 2моноацилглицерина (9.17), поступающего из пищи. Катализирует этот процесс ацилглицеринпальмитоилтрансфераза [14]. O H2O R C O CH2 R C O CH O CH2 (9.15) O Pi 13 OPO3 2 R CoA-SH C S-CoA(14) R C O CH2 O R C O CH R O CH2 OH (9.16) C 14 HO CH2 O CH O CH2 OH (9.17) пища И, наконец, последний этап заключается в том, что в присутствии диацилглицеринацилтрансферазы [15] к диглицериду присоединяется третий остаток жирной кислоты и образуется триглицерид (9.18) O R R C O CH2 R C O CH O O C S-CoA(14) CoA-SH O 15 R C O CH2 R C O CH O CH2 OH (9.16) CH2 O (9.18) C R O 9.3 Биосинтез глицерофосфолипидов. Глицерофосфолипиды представляют собой фосфатидную кислоту (9.15), которая образует сложноэфирную связь (раздел ) с аминоспиртами или полиспиртами. В качестве примера рассмотрим биосинтез фосфатидилхолина (лецитина). На первой стадии синтеза аминоспирт холин (9.19) фосфорилируется с помощью ATP: O R1-OH (9.19) + ATP R1-O-P O + ADP O (9.20) На второй стадии фосфорилированный холин (9.20) взаимодействуют с цитидилтрифосфатом (CTP)(9.21) с образованием CDP-холина (9.22): O O R1-O-P O-P + O O P O цитидин цитидин + PPi + H2O 2Pi O O O (9.20) O P O O O (9.21) O R1-O-P O P O O O O (9.22) Далее (9.22) взаимодействует с диглицеридом (9.16), который образовался в процессе биосинтеза триглицеридов. Эта реакйция катализируется алкилацетилглицеринхолинфосфаттрансфераза [16], в результате чего получается фосфатидилхолин (9.23). O O R C O CH2 R C O CH O O 1 + R -O-P CH2 OH (9.16) O O O P O цитидин O R C O CH2 R C O CH 16 (9.22) O O + CMP CH2 O-P-O-R1 (9.23) O Вопросы для самоконтроля к главе 9 1.На первых этапах синтеза жирных кислот ацетил-CoA сначала карбоксилируется, а затем декарбоксилируетя. Зачем это нужно? 2. Изобразите основные этапы удленения углеродной цепи жирной кислоты. 3.Изобразите структуру NAD+ и NADP+. В чем причина одновременного существования обоих коферментов? 4. Опишите, как из жирных кислот синтезируется триглицериды. 5.Какую роль в биосинтезе липидов играет CTP? Глава 10. Механизм биосинтеза глюкозы (глюконеогенез) Некоторые ткани (мозг, эритроциты) зависят от постоянного снабжения глюкозой. Если получаемое с пищей количество углеводов недостаточно, необходимая концентрация глюкозы в крови может поддерживаться за счет расщепления гликогена печенью. Если истощены и эти запасы, в печени запускается синтез глюкозы (глюконеогенез). Исходными соединениями в глюконеогенезе являются аминокислоты мышечной ткани. При длительном голодании это приводит к массивному распаду мышечного белка. Другими важными исходными веществами служат лактат, образующийся в эритроцитах и мышечной ткани при недостатке кислорода, а также глицерин, образующийся при расщеплении жиров. Глюконеогенез в печени начинается с пирувата, который служит исходным соединением и при синтезе жирных кислот. Казалось бы, он может связать две ветви метаболизма углеводов и жиров. Однако превращение пирувата в ацетил-CoA у животных необратимо, поэтому они не могут перерабатывать жирные кислоты в глюкозу. Одним из источников поступления пирувата (10.1) в печень является реакция дезаминирования глюкогенной аминокислоты - аланина (10.2) (см. раздел ). Другим источником является реакция окисления лактата (10.3). COO CH NH2 реакция дезаминирования NADH+H COO C NAD COO O CH CH3 CH3 CH3 (10.2) (10.1) (10.3) OH Гликонеогенез на основе пирувата в основном протекает по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении. Однако три реакции гликолиза необратимы, и на этих стадиях реакции глюконеогенеза отличаются от реакций гликолиза. Первый термодинамический барьер необходимо преодолеть в ходе превращения пирувата (10.1) в фосфоенолпируват (10.5). Эта реакция происходит по обходному пути, в две стадии с использованием макроэргических фосфатов, делающих это превращение термодинамически выгодным: пируваткарбоксилаза оксалоацетат (10.4) + ADP +Pi +H пируват (10.1) + ATP +HCO3 оксалоацетат (10.4) + GTP фосфоенолпируваткарбоксикиназа фосфоенолпируват (10.5) + GDP + CO2 суммарная реакия выглядит следующим образом: фосфоенолпируват (10.5) +ADP + GDP + Pi + 2H пируват (10.1) + ATP +GTP + H2O После образования фосфоенолпирувата (10.5) все гликолитические реакции обратимы вплоть до реакции образования фруктозо-1,6-фосфата (10.11), получение которого из фруктозо-6-фосфата (10.12) в ходе гликолиза необратимо. Это препятствие легко преодолевается, поскольку удаление фосфатной группы путем обычного гидролиза не требует затрат энергии. Аналогичная реакция гидролиза в процессе глюконеогенеза имеет место при превращении глюкозо-6-фосфата (10.13) в глюкозу (10.14)(при гликолизе образование глюкозо-6-фосфата, катализируемое гексокиназой или глюкокиназой необратимо). В печени присутствуют глюкозо-6-фосфатаза, которая гидролизует глюкозо-6-фосфат, после чего свободная глюкоза выходит из клетки. Таким образом, существуют четыре фермента, ответственные за глюконеогенез и пируваткарбоксилаза, не принимающие участия фосфоенолпируваткарбоксикиназа, в гликолизе: фруктозо-1,6- дифосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза. Общая схема глюконеогенеза представлена на рис. 10.1. Реакции, отличающиеся от соответствующих выделены пунктирной рамкой. гликолитических превращений, пируват (10.1) ATP 2× пируваткарбоксилаза HCO3 2× ADP + Pi оксалоацетат (10.4) GTP CO2 GDP фосфоенолпируваткарбоксикиназа 2 × фосфоенолпируват (10.5) енолаза H2O 2 × 2-фосфоглицерат (10.6) фосфоглицератмутаза 2× 3-фосфоглицерат (10.7) ATP 3-фосфоглицераткиназа ADP 2 × 1,3-дифосфоглицерат (10.8) NADH+H Pi дигидроксиацетон (10.9) NAD глицеральдегид-3фосфатдегидрогеназа глицеральдегид-3-фосфат (10.10) альдолаза фруктозо-1,6-дифосфат (10.11) H2O фруктозо-1,6-дифосфатаза Pi фруктозо-6-фосфат (10.12) гексозофосфатизомераза глюкозо-6-фосфат (10.13) H2O глюкозо-6-фосфатаза Pi глюкоза (10.14) Рис.10.1 Синтез глюкозы из пирувата (глюконеогенез) Исходным соединением для глюконеогенеза является и глицерин, образующийся при гидролизе жиров. Первым этапом является фосфорилирование глицерина глицеринкиназой. Все последующие стадии (рис.10.2) происходят в печени. CH2 CH CH2 HO HO HO глицерин (10.15) ATP глицеринкиназа ADP CH2 CH CH2 2 OPO3 HO HO глицерин-3-фосфат (10.16) NAD глицерин-3-фосфатдегидрогеназа NADH+H CH2 C CH2 триозофосфатизомераза CH 2 O OPO3 HO дигидроксиацетонфосфат (10.9) O CH HO CH2 OPO32 глицеральдегид-3-фосфат (10.10) альдолаза глюкозо-6-фосфат глюкоза Рис.10.2 Превращение глицерина в глюкозу В заключении необходимо заметить, что подавляющее количество углеводов на Земле образуется в результате фотосинтеза, в ходе которого энергия солнечного света используется для фиксации диоксида углерода в виде дифосфоглицерата. Механизм этого процесса и превращение дифосфоглицерата в глюкозу был описан выше.. Итак, в главах 8,9 и 10 мы познакомились с использованием жиров и глюкозы в качестве источников энергии, а также с механизмами синтеза этих веществ. Следует заметить, что эти метаболические процессы не существуют изолированно друг от друга, а образуют единую метаболическую систему, все части которой взаимосвязаны и нуждаются в регуляции. Однако вопросы регуляции метаболизма в данном пособии рассматриваться не будут. Вопросы для самоконтроля 1. После суточного голодания запасы гликогена в печени истощаются, но в организме имеются довольно большие запасы жиров. Зачем при голодании протекает процесс глюконеогенеза, когда в организме есть практически безграничные запасы ацетил-CoA (из жирных кислот), которых вполне хватает для прозводства энергии? 2. Почему фосфоенолпируват, необходимый для протекания глюконеогенеза, не может быть получен путем фосфорилирования пирувата с помощью пируваткиназы? 3. Начиная от фосфоенолпирувата, глюконеогенез в печени осуществляется путем обращения реакций гликолиза. Какие два гликолитических фермента катализируют необратимые пеакции? Как осуществление этих реакций сказывается на механизме глюконеогенеза? 4. Есть ли в мышцах глюкозо-6-фосфатаза? Поясните ответ. 5. В жировых клетках практически нет глицеринкиназы-фермента, катализирующего превращение глицерина в глицерин-3-фосфат, хотя там образуется глицерин (путем гидролиза триглицеридов). В печени же этот фермент есть. Логично ли это? А если да, то почему? Часть 5. МЕТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ Как уже было рассмотрено, белки пищи расщепляются в тонком кишечнике на отдельные аминокислоты, которые всасываются, поступают в воротную вену и доставляются в печень. Все клетки организма используют аминокислоты для синтеза белков и множества других веществ (компоненты мембран, нейромедиаторы, гем). Специальных высокомолекулярным форм хранения полисахаридам, аминокислот, которые при подобно необходимости расщепляются до мономеров, не существует. Для аминокислот резервными веществами служат функциональные белки, среди которых основными являются белки мышц. Однако при голодании и интенсивном их использовании, например при глюконеогенезе в печени, наступает неприятная для человека ситуация - мышечная атрофия. Эта ситуация неприятна вдвойне, так как в ходе эволюции человеческий организм утратил способность синтезировать десять (незаменимых) из двадцати аминокислот. По этой причине человеческий организм должен получать такие аминокислоты с растительной и животной пищей. Однако, даже получая с пищей незаменимые аминокислоты, человек не может откладывать их про запас. Лишь некоторая часть их используется по назначению (синтез белка), а излишек окисляется или перерабатывается в жир или гликоген. Это напоминает сжигание в печке драгоценного красного дерева для получения тепла. Общая схема метаболизма аминокислот представлена на рис.11.1 специфические компоненты клеток: нейромедиаторы,катехоламины компоненты мембран,гем, нуклеиновые основания белки пищи R CH белки организма COO NH3 дезаминирование избытка аминокислот аммиак аминокислоты декарбоксилирование R COO CO кетокислоты мочевина, выделяемая с мочой глюкогенные аминокислоты кетогенные аминокислоты пируват или компоненты цикла Кребса глюкоза (гликоген) диоксид углерода R NH2 амины ацетил-CoA CO2+H2O жир Рис.11.1 Метаболизм аминокислот Глава 11. Катаболизм аминокислот Катаболизм аминокислот представляет собой совокупность реакций дезаминирования, трансаминирования и декарбоксилирования. 11.1 Реакция дезаминирования Дезаминирование – отщепление аминогруппы от аминокислот в виде аммиака. В живых организмах возможно четыре типа дезаминирования аминокислот. Восстановительное R-CH(NH2)-COOH→R-CH2COOH + NH3 Гидролитическое R-CH(NH2)-COOH + H2O→R-CH(OH)COOH + NH3 Внутримолекулярное R-CH2-CH(NH2)-COOH → R-CH=CH-COOH + NH3 Окислительное R-CH(NH2)-COOH + [O]→R-C(=O)COOH + NH3 Для большинства живых организмов, в том числе человека, характерно окислительное дезаминирование, которое приводит кроме аммиака к получению кетокислоты. Одной из важнейших аминокислот является глутаминовая кислота (11.1), дезаминирование которой катализирует глутаматдегидрогеназа. Этот фермент в качестве окислителя использует либо NAD+ либо NADP+. OOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COO + NAD OOC-CH2-CH2-CO-COO + NH4 +NADH+H (11.2) (11.1) Образовавшийся α-кетоглутарат (11.2) участвует в цикле лимонной кислоты, что делает возможным превращение глутаминовой кислоты в диоксид углерода и воду (см. раздел). Кроме того α-кетоглутарат может превращаться в оксалоацетат (см. раздел), что делает возможным участие глутаминовой кислоты в синтезе глюкозы (см. раздел). Таким образом, глутаминовая кислота относится к глюкогенным аминокислотам. 11.2 Реакция трансдезаминирования Для остальных аминокислот не существует соответствующих дегидрогеназ. Дезаминирование подобных аминокислот осуществляется путем переноса аминогруппы с аминокислот на αкетоглутарат, в результате чего образуется соответствующая кетокислота и глутаминовая кислота. Последняя дезаминируется глутаматдегидрогеназой. В качестве примера приведем дезаминирование аланина. Этот процесс происходит в две стадии: 1 стадия- трансаминирование – перенос аминогруппы с аланина (11.3) на αкетоглутарат (11.2). В результате этого образуется пируват (11.4) и глутамат (11.1) CH3-CH(NH3+)-COO- (11.3) + -OOC-CH2-CH2-C(=O)-COO-(11.2) → CH3-C(=O)-COO- (11.4) + -OOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COO-(11.1) 2 стадия дезаминирование – глутамат - (11.1) в присутствии глутаматдегидрогеназа снова превращается в α-кетоглутарат (11.2). В совокупности трансдезаминированием. обе стадии Ферменты, этого процесса катализирующие этот называют процесс, называют трансаминазами или аминотрансаминазами. В активном центре всех трансаминаз имеется прочно связанный кофермент пиридоксальфосфат (11.5), который является производным витамином B6. В отсутствии аланина (11.3) пиридоксальфосфат с остатком лизина трансаминазы образует альдимин I (11.6). Во время реакции аланин вытесняет остаток лизина и образуется альдимин II (11.7). Затем за счет изомеризации происходит перемещение двойной связи с образованием кетимина (11.8). Гидролиз кетимина дает пируват (11.4) и пиридоксаминфосфат (11.9). Вторая стадия является обратной реакцией пиридоксаминфосфата (11.9) и α-кетоглутарата (11.2). Образуется вначале кетимин, затем альдимин II и I и , наконец, выделяется глутамат и регенерируется кофермент. Механизм трансдезаминирования приведен на рис.11.2 11.3 Реакция декарбоксилирования Декарбоксилирование аминокислот представляет собой процесс отщепления карбоксильной группы от аминокислоты в форме диоксида углерода. Декорбоксилирование катализируется специальными ферментами – декарбоксилазами, коферментом которых служит пиридоксальфосфат. остаток лизина H фермент H3N O+ O H H CH N фермент N R O3P N H NH3 (11.3 или 11.1) O O 2 C CH3 C CH CH3 CH O O CH3 OOC OOC 2 H2O CH3 (11.5) N R O 2 O3P (11.6) C CH3 O (11.4 или 11.2) CH2 (11.7) R OOC H2N N CH3 OOC C H N O3P CH3 CH2 O HO O O 2 CH3 N R O3P 2 H H2O (11.9) Рис.11.2 Механизм трансдезаминирования CH3 N R (11.8) O3P CO2 O C O CH R NH3 декарбоксилаза R CH2 NH3 Продуктами декарбоксилирования являются амины, обладающие биологической активностью – биогенные амины. К этой группе соединений принадлежит большая часть нейромедиаторов и регуляторных факторов местного действия (тканевые медиаторы, регулирующие обмен веществ)(табл.11.1) 11.4 Использование кетокислот или углеродного скелета аминокислот Углеродный скелет аминокислот в процессе катаболизма претерпевает ряд химических изменений и превращается в соединения, которые включаются в общий путь катаболизма. Таких ключевых соединений семь: пируват, ацетил-CoA, ацетоацетил-CoA, α-кетоглутарат, сукцинил-CoA, фумарат и оксалоацетат (рис. 11.3). Такое небольшое разнообразие лишний раз подтверждает высокую экономичность метаболических превращений. Аминокислоты, которые превращаются в пируват и промежуточные продукты цикла Кребса, могут в конечном счете образовывать оксалоацетат и использоваться для синтеза глюкозы. Такие аминокислоты называются гликогенными. Возможность протекания глюконеогенеза на основе гликогенных аминокислот основана на том, что указанные промежуточные продукты цикла Кребса могут превращаться в фосфоенолпируват, а затем и в глюкозу. Аминокислоты, из которых в процессе катаболизма образуются ацетоацетат или ацетил-CoA, называются кетогенными. Такие аминокислоты (лизин) в организме могут быть источниками кетоновых тел. Предшественники, химическое строение и биологическая роль некоторых биогенных аминов Таблица 11.1 Аминокислоты Серин Продукт декарбоксилирования Этаноламин Химическое строение биогенного амина Ацетилхолин CH3 Триптофан Триптамин COO (CH2)2 N(CH3)3 Серотонин HO CHCH2NH3 Биологическая функция Возбуждающий медиатор вегетативной нервной системы Возбуждающий мозга медиатор средних отделов NH Тирозин - Дофамин Медиатор среднего отдела мозга CHCH2NH3 HO HO Глутаминовая γ-Аминомасляная кислота кислота (ГАМК) Гистидин Гистамин OOC(CH2)3NH3 ГАМК CHCH2NH3 NH Фенилаланин Фенилэтиламин Гистамин Фенилэтиламин Тормозной медиатор высших отделов мозга Медиатор воспаления, аллергических реак-ций, пищеваритель-ный гормон N Обладает нейромедиаторной активностью PhCH2CH2NH3 Аминокислоты, углеродные скелеты которых могут использоваться как для синтеза глюкозы, так и для синтеза кетоновых тел (фенилаланин, тирозин, изолейцин), называются смешанными, или гликокетогенными. аланин серин глицин цистеин триптофан CO2 изолейцин лейцин лейцин триптофан лизин фенилаланин тирозин ацетил-CoA ацетоацетил-CoA глюкоза CO2 пируват фосфоенолпируват оксалоацетат аспартат аспарагин цикл Кребса изоцитрат фумарат фенилаланин тирозин цитрат a-кетоглутарат треонин метионин сукцинил-CoA валин изолейцин пропионил-CoA глутамат глутамин аргинин пролин гистидин Рис.11.3 Пути использования углеродного скелета аминокислот При нормальной работе общего пути катаболизма и всех сопутствующих метаболических циклов полное окисление углеродного скелета аминокислот до диоксида углерода и воды не играет заметной энергетической роли. 11.5 Цикл мочевины Деградация аминокислот происходит преимущественно в печени. При этом высвобождается аммиак. Аммиак основание средней силы, является клеточным ядом. При высокой концентрации он повреждает прежде всего нервные клетки. Поэтому аммиак должен быстро инактивироваться и выводится из организма. В организме человека это осуществляется, прежде всего за счет образования мочевины. Это происходит в цикле мочевины. Первый этап цикла мочевины, протекающий в митохондриальном матриксе, представляет собой взаимодействие катиона аммония и диоксида углерода. В присутствии карбомоилфосфатсинтетазы [1] образуется карбомоилфосфат (11.10). O NH4 + HCO3 + 2 ATP 1 NH2 C O P O (11.10) O O + 2ADP + Pi + 2H На синтез каждой молекулы карбомоилфосфата расходуется две молекулы ATP. Одна из них, расщепляясь до ADP и Pi, обеспечивает образование из катиона аммония и диксида углерода карбомоилфосфата, а вторая участвует в его фосфорилировании. Далее на второй стадии карбомоильная группа карбомоилфосфата с помощью фермента орнитинтранскарбомоилазы [2] переносится на орнитин (11.11), превращая его в цитруллин (11.12). O + NH2 NH3-CH2-CH2-CH2-CH-COO (11.11) NH3 C O P O (11.10) O O 2 NH2 C NH-CH2-CH2-CH2-CH-COO O (11.12) + Pi NH3 Третья стадия протекает в цитозоле и состоит в том, что карбонильная группа в цитруллине превращается в имидную группу аргинина. Это превращение начинается с конденсации цитруллина с аспартатом (11.13) при участии ATP и заканчивается образованием аргининосукцината (11.14). NH2 C NH-CH2-CH2-CH2-CH-COO O NH3 (11.12) + OOC-CH2-CH-COO NH2 ATP AMP + PPi NH-CH2-CH2-CH2-CH-COO C NH NH3 OOC-CH2-CH-COO (11.14) NH3 (11.13) Далее аргиноносукцината при расщеплении аргининосукцинатлиазой [3] образует аргинин [11.15] и фумарат [11.16] NH2 C NH2 C NH-CH2-CH2-CH2-CH-COO NH OOC-CH2-CH-COO 3 NH3 NH-CH2-CH2-CH2-CH-COO NH2 NH3 (11.15) (11.14) + OOC-CH=CH-COO (11.16) И, наконец, цикл замыкается гидролизом аргинина в присутствии аргиназы [4]. В результате отщепления гуанидиновой группы аргинина образуется мочевина (11.17) и орнитин (11.11) , который снова реагирует с карбомоилфосфатом (11.10). NH2 NH-CH2-CH2-CH2-CH-COO C NH2 (11.15) 4 NH2 C O + NH3 +H2O NH3-CH2-CH2-CH-COO NH2 (11.17) NH3 (11.11) Полностью цикл мочевины представлен на рис. 11.4. аргинин фумарат H2O мочевина аргиназа цитоплазма аргининосукцинатлиаза орнитин аргининосукцинат митохондрия AMP+PPi аргининосукцинатсинтетаза аспартат + ATP орнитинтранскарбомоилаза карбамоилфосфат цитруллин 2ADP + Pi Pi карбамоилфосфатсинтетаза 2 ATP NH4 + HCO3 Рис. 11.4 Цикл мочевины Глава 12. Анаболизм аминокислот Исходными соединениями для синтеза заменимых аминокислот служат метаболиты катаболитических путей углеводов, цикла Кребса и незаменимые аминокислоты. В первом и втором случае углеродный скелет молекулы аминокислоты образуется из глюкозы, а аминогруппа вводится из других аминокислот с помощью трансаминирования. Пути биосинтеза заменимых аминокислот приведены на рис.12.1 (где НК – незаменимые аминокислоты, ТА - трансаминирование) Приведем примеры бисинтеза некоторых аминокислот. Глутаминовая кислота образуется за счет трансаминировании αкетоглутарата. цистеин серин глицин ТА семейство серина глюкозо-6-фосфат рибозо-5-фосфат 3-фосфорглицерат гликолиз эритрозо-4-фосфат фосфоенолпируват ТА ТА лейциннк ТА валиннк семейство пирувата лизиннк ТА пируват ТА гистидин аланин аспарагин серин NH3 треониннк аспартат ТА оксалоацетат цикл Кребса ТА ТА тирозин фенилаланиннк семейство ароматических аминокислот a-кетоглутарат изолейциннк 2NH3 нк метионин семейство аспартата глутамин триптофаннк ТА ТА орнитин цикл мочевины глутамат пролин семейство глутамата Рис.12.1 Биосинтез аминокислот аргинин NH3 Аспарагиновая кислота и аланин образуются в клетках за счет трансаминирования оксалоацетата или пирувата. Серин синтезируется синтезируется в три стадии из промежуточного вещества гликолиза – 3-фосфоглицерата (11.18). Сначала 3-фосфоглицерат окисляется в кетокислоту – 3-фосфогидроксипируват(11.19): NAD NADH+H COO COO CHOH C=O CH2OPO32 (11.18) CH2OPO32 (11.19) Затем эта кетокислота подвергается трансаминированию глутаминовой кислотой и превращается в 3-фосфосерин (11.20), который далее гидролизуется до серина (11.21) и Pi. COO C=O COO трансаминирование гидролиз CHNH3 CH2OPO32 (11.19) Синтез COO CHNH3 CH2OPO32 (11.20) глицина осуществляется + Pi CH2OH (11.21) путем удаления концевой оксиметильной группы серина Вопросы для самоконтроля 1.Объясните, как окисление аминокислот может привести к их дезаминированию. 2. Какие аминокислоты дезаминируются посредством окисления? 3.Опишите подробно, как дезаминируется аланин. 4.Какой кофермент участвует в переаминировании? Каково его строение и как происходит переваминирование? 5.Что означают термины «кетогенные» и «глюкогенные» по отношению к аминокислотам? Назовите чисто кетогенные аминокислоты. 6. Опишите реакции, входящие в цикл мочевины. Часть 6. ФОТОСИНТЕЗ Синтез ATP в аэробных клетках основан на переходе электронов с веществ, обладающих высоким энергетическим потенциалом, вниз по энергетической шкале на кислород.. Поскольку количество пищевых молекул на Земле ограничено, то для продолжения жизни должен существовать механизм «подъема» электронов на самый верх энергетической шкалы. Таким механизмом является фотосинтез. Глава 13 Общие положения Фотосинтез – биологический процесс, осуществляющий кругооборот электронов. Он имеет ряд преимуществ: • неисчерпаемость источника энергии – солнца; • неисчерпаемость донора электронов – воды; • неисчерпаемость резервуара для стока электронов – кислорода. Суть всеобщего энергетического цикла, частью которого является фотосинтез, представлена на рис. 13.1. пищевые молекулы энергия света шкала свободной энергии e Pi H2O фотосинтез e Pi O2 окислительное фосфорилирование Рис. 13.1 Цикл переноса электронов, связывающего процессы фотосинтеза с окислительным фосфорилированием В результате фотосинтеза из воды и диоксида углерода образуется глюкоза (или другие моносахариды и крахмал). Для того чтобы прошла эта реакция, необходимы следующие условия: 1. необходимо иметь восстанавливающий агент с достаточно низким редокс-потенциалом (с высокой энергией). При фотосинтезе таким восстановителем является NADPH ( а не NADH, как при глюконеогенезе ). 2. должен быть доступен ATP как движущая сила синтеза. Поглощенная при фотосинтезе энергия света расходуется на перенос электронов с воды на NADP+ и на синтез ATP. 12.1 Внутриклеточные органеллы - хлоропласты Реакции фотосинтеза протекают в хлоропластах клеток зеленых растений. У хлоропластов внешняя мембрана (2) проницаема для протонов, а внутренняя (1) – нет. 1 2 3 4 5 7 6 Рис. 13.2 Строение хлоропласта Внутренние мембранные структуры хлоропластов – тилакоиды (5) представляют собой замкнутые уплощенные мембранные мешочки, уложенные в стопки – граны (3) и соединенные между собой мембранными выростами - ламеллами (7). Пространство внутри хлоропласта (без гран ) называют стромой (4) (рис.13.2). Между тилакоидами, уложенными в граны имеется внутритилакоидное пространство (6). 12.2 Хлорофилл В зеленых высших растениях рецептором, воспринимающим свет, служит хлорофилл (рис.13.3). Хлорофилл представляет собой тетрапиррол, напоминающий по строению гем. CH=CH2 R CH3 CH2CH3 N N хлорофилл a R= -CH3 хлорофилл b R= -CH=O Mg N N CH3 CH2 CH2 COOCH3 O COOC20H39 (фитил) Рис.13.3 Строение хлорофилла От гема его отличает природа центрального атома (магний вместо железа), а также строение боковых групп. Одна из групп в хлорофилле является фитильной с длинной гидрофобной цепью, которая является «якорем», который удерживает хлорофилл в липидном бислое. В растениях присутствуют хлорофилл a и b.Оба они поглощают свет в голубой и красной областях видимого спектра и отражают зеленый свет. В результате этого пигмент и листья растений имеют соответствующий цвет. Хлорофилл находится в мембране тилакоидов. Фукционирование фотосинтетической электронтранспортной системы осуществляется фотосистемами (ФС I и ФС II). Фотосистемы состоят из молекул хлорофилла, улавливающих свет (светособирающая антенна, рис. 13.4 ), реакционного центра, представляющего собой хлорофилловый димер, который возбуждается благодаря резонансному переходу энергии от антенны, и цепи переноса электронов. Установлено, что в антенне ФСI содержится 120 молекул хлорофилла a,соединенных с белком, а антенна ФСII – лишь 60. Хлорофилл в составе реакционного центра ФСII обозначается как P680, свет светособирающая антенна (основная часть хлорофилла направление потока энергии возбуждения e e донор реакционный центр (димер хлорофилла a) акцептор Рис. 13.4 Строение и принцип функционирования фотосистемы а в составе ФСI – P700 (от анг. Pigment – пигмент; числа соответствуют длине волны максимума поглощения света в нанометрах) 12.3 Переносчики электронов Составной частью фотосистемы является цепь переноса электронов, которая состоит из переносчиков электронов и которые находятся в мембране тилакоида. Одним из уже известных нам переносчиков электронов в фотосистеме является ферредоксин (Fd), негемовый белковый железосодержащий переносчик (железо-серный комплекс), в котором атомы железа связаны с сульфгидрильными группами остатков цистеина белка. Еще одним переносчиком электронов в фотосистеме , является феофитин (Ph)– пигмент, по своему строению похож на хлорофилл, но не содержит магний. Очень похож на уже известный убихинон другой переносчик – пластохинон (Q) , принцип действия которого приведен ниже: OH O CH3 CH3 +2e +2H H H CH3 CH3 9 пластохинол восстановленная форма (QH2) 9 O пластохинон окисленная форма (Q) OH Рис. 13.5 Восстановление пластохинона Пластоцианин (Pc) содержит атом меди, который служит то донором, то акцептором электронов полипептидная цепь белка Tyr O His N N His N N Cu2 H2O O Tyr Рис. 13.6 Строение пластоцианина и, поэтому, находится поочередно в состоянии Cu+ или Cu+2. Лигандами являются имидазольные фрагменты гистидиновых остатков белков. В качестве дополнительных лигандов выступают аргинина и цистеина белковой цепи, молекулы воды. Вопросы для самоконтроля 1.Что означает выражение «антенный хлорофилл»? фрагменты тирозина, 2.Изобразите корриновое ядро, содержащееся в хлорофилле и витамине B12. 3.Изобразите молекулу феофитина а и b. Глава 14 Световая и темновая фазы фотосинтеза Световая фаза фотосинтеза приводится в действие светом. Главной задачей световой фазы является передача электронов от воды на NADP+ и создание на тилакоидной мембране протонного градиента, достаточного для синтеза ATP (рис.14.1, где Ph-феофитин, Q-пластохинон, Pc-пластоцианин, Fd-. ферредоксин, Fp-фермент ферредоксин-NADP+-редуктаза). возбужденное состояние -1,2 e -O,8 -O,4 шкала энергии или редокспотенциал Eo, В возбужденное состояние Ph Ph O ФС II Fd +1,2 Fp ФС I e Q NADP e NADPH цитохром bf +O,4 +O,8 e Pc 2H2O hυ Mn2+ 4e P700 hυ P680 4H + O2 переносится внутрь тилакоида реакционный антенна II центр II (основное состояние) синтез ATP закачивает протоны внутрь тилакоидов реакционный антенна I центр I (основное состояние) синтез ATP Рис.14.1 Перенос электронов от воды к NADP+ (Z-схема) при фотосинтезе Хлорофилл P680 в реакционном центре II в темноте находится в основном (невозбужденном) состоянии и не проявляет восстановительных свойств. Когда P680 получает энергию фотона через антенну II , он переходит в возбужденное состояние P680*, что занимает около 30 пс. В этом состоянии он является очень сильным восстановителем, его сродство к электрону выше, чем у кислорода, поэтому он может извлечь электрон из воды. Чтобы превратить 2 молекулы воды в 4 протона и молекулу кислорода требуется отнять у них 4 электрона. Эту задачу выполняет Mn2+-содержащий белковый комплекс, известный как водорасщепляющий центр, который передает полученные электроны на P680*. Далее P680* в течении 20 нс окисляясь отдает электрон переносчику электронов фотосистемы II - феофитину. Две восстановленные молекулы феофитина последовательно отдают полученные электроны на восстановление пластохинона. Цитохром bf (два цитохрома и железо-серный комплекс) осуществляет перенос электронов от восстановленного пластохинона на пластоцианин. На хлорофилл P700 в реакционном центре I ФСI также стекается энергия фотона, уловленного антенным хлорофиллом I. После этого P700* также становится мощным восстановителем. Электрон с возбужденного хлорофилла P700* передается на ферродоксин, на котором с помощью фермента ферредоксин-NADP+-редуктазы происходит восстановление NADP+ в NADPH. Естественно, что обе фотосистемы, отдав по электрону, должны получить их обратно, чтобы вернуться в исходное состояние, т.е. из восстановителей перейти в окислители. P700* забирает электрон у восстановленного пластоцианина, а P680* возвращается в исходное состояние более необычным путем, он забирает электроны у воды. Одновременно с фотосинтетическим транспортом электронов происходит перенос протонов из стромы хлоропластов во внутрь тилакоида. При этом возникает трансмембральный электрохимический градиент протонов (pH-градиент), который используется далее ATP-азой для синтеза ATP из ADP и Pi (рис.14.2). Таким образом, фотосинтетический аппарат включает в себя и протонный насос. 2H2O Mn2+ P680 строма 4H +O2 Ph Q 2H 2H2O цитохром bf 2H 2HO nH внутренняя мембрана тилакоида Pc P700 ФСI Fd 2H2O Fp 2H 2NADPH наружная мембрана тилакоида ФСII 2HO 2NADP ATP nH ATPаза ADP+Pi Рис.14.2 Электронные и протонные потоки, происходящие внутри тилакоида Темновая фаза фотосинтеза не приводится в действии светом (как световые), хотя и проходит на свету и является следствием генерации NADPH и ATP в мембране тилакоидов. Ключевым соединением в темновой фазе фотосинтеза является 3фосфоглицерат (14.4), который образуется с использованием диоксида углерода и воды в присутствии фермента рибулозо-1,5- дифосфаткарбоксилазы [1] («Rubisco») из рибулозо-1,5-дифосфата (14.1). Это превращение осуществляется через стадию образования ендиола (14.2), промежуточной β-оксокислоты (14.3) с последующим ее гидролизом. CH2OPO32 C=O CH2OPO32 CH2OPO32 C-OH 6CO2+6H2O 1 H C OH C OH H C OH H C OH CH2OPO32 CH2OPO32 6 молекул (14.1) (14.2) CH2OPO32 OOC C-OH H HO C O H C OH CH2OPO32 (14.3) OOC C-OH H COOH H C OH CH2OPO32 12 молекул (14.4) Образовавшийся 3-фосфоглицерат (14.4) далее в присутствии фосфоглицераткиназы [2] превращается в 1,3-дифосфоглицерат (14.5). 2 H C OH CH2OPO3 12 ADP 12 ATP COO 2 12 молекул (14.4) свет COOPO32 H C OH CH2OPO32 12 молекул (14.5) Дальнейшее превращение (14.5) в присутствии глицеральдегидфосфатдегидрогеназы [3] приводит к глицеральдегид-3-фосфату (14.6). COOPO32 12 NADPH H C OH CH2OPO32 12 молекул (14.5) 12 NADP CH=O 3 H C OH CH2OPO32 свет 2 молекулы в глюконеогенез запасные углеводы(крахмал) 12 молекул (14.6) Из 12 молекул глицеральдегид-3-фосфата 2 молекулы вступают в глюконеогенез и через образование фруктозо-1,6-дифосфата, глюкозо-6фосфата, глюкозо-1-фосфата дают запасные углеводы. Остальные 10 молекул глицеральдегид-3-фосфата (30 C-атомов) преобразуются в 6 молекул рибулозо-5-фосфата (14.7) (всего 30 C-атомов). Этот процесс достаточно сложен и сводится к различным превращениям C3-, C4-,C5-,C6- и C7-сахаров с помощью альдолаз и транскетолаз. Транскетолазы способны переносить C2-блоки. CH2OH CH=O H C OH CH2OPO32 C=O H C OH H C OH CH2OPO32 10 молекул (14.6) 6ADP 6ATP 4 6 молекул (14.1) свет 6 молекул (14.7) Весь этот достаточно сложный процесс можно изобразить очень упрощенной схемой: C3 + C3 = C6 альдолаза C6 + C3 = C4 + C5 транскетолаза C4 + C3 = C7 альдолаза C7 + C3 = C5 + C5 транскетолаза Суммарный результат 5 C3 = 3 C5 Процесс заканчивается превращением рибулозо-5-фосфата в рибулозо-1,5дифосфат. Таким образом, процесс фиксации диоксида углерода и получения запасных углеводов имеет замкнутый циклический характер и носит название цикла Кальвина. Суммарная реакция цикла Кальвина имеет следующий вид 6CO2+ 18 ATP + 12 NADPH + 12H+ + 12 H2O → C6 H12 O6 + 18ADP + 18Pi + 12 NADP+ + 6H+ Поскольку первым продуктом фотосинтеза является 3-фосфоглицерат, то такой путь называется C3-путь. По этому пути осуществляют фотосинтез большинство растений: горох, фасорль, шпинат, салат, капуста, пшеница, овес, рожь, ячмень, свекла, подсолнечник, тыква, томаты и другие одно- и двудольные семенные. Однако у некоторых растений первичным продуктом фиксации атмосферного диоксида углерода является оксалоацетат, содержащий четыре атома углерода. Отсюда другое название – C4-путь.Типичными представителями группы растений, у которых осуществляется C4-путь фотосинтеза, являются кукуруза, сахарный тростник, сорго. Вопросы для самоконтроля к главе 14. 1.Объясните, чем различаются темновые и световые фазы фотосинтеза? 2. Для окисления воды требуется очень сильный окисляющий агент. Что окисляет воду при фотосинтезе? 3. Если растение на свету на очень короткое время поместить в атмосферу с радиоактивным 14 CO2, метка сначала появляется в 3-фосфоглицерате. Почему? 4.Объясните, что такое цикл Кальвина. 5. Опишите биосинтетические реакции на пути от 3-фосфоглицерата до крахмала. Часть 7. ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ Мы переходим к изучению механизма хранения и передачи генетической информации в живой клетке. Носителями этой информации являются биополимеры – нуклеиновые кислоты. Глава 15 Строение нуклеиновых кислот В живых организмах содержатся два вида нуклеиновых кислот : дезоксирибонуклеиновые кислоты ДНК или DNA) и рибонуклеиновые кислоты (РНК или RNA). Все нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения, построенные из мономеров – нуклеотидов, число которых колеблется от нескольких десятков до сотен миллионов. Соединения, в которых азотистые основания связаны с рибозой или дезоксирибозой посредством N-гликозидной связи, называются нуклеозидам, а их эфиры с фосфорной кислотой – нуклеотидами. Роль соединительного мостика между нуклеотидами в молекулах нуклеиновых кислот выполняет 3',5'-фосфодиэфирная связь, соединяющая C3'-атом одного нуклеотида с C-5'-атомом пентозы другого нуклеотида. Для удобства описания задается определенное направление полинуклеотидной цепочки. Поскольку на одном из ее концов остается свободной 5'-OH-группа (начало цепи), а на другом 3'-OH-группа (конец цепи), то направление полинуклеотидной цепи записывается в виде 5'→ 3'. Нуклеиновые кислоты сходны с белками в том, что из разных нуклеотидов можно построить огромное количество нуклеиновых кислот. 15.1 Строение дезоксирибонуклеиновых кислот Основной биологической ролью ДНК является хранение и передача наследственной информации. Поэтому основное требование, которое предъявляется к ДНК, заключается в стабильности ее молекулярной структу- ДНК РНК Ц O 5| O O H H 3 O А H | H 5| O H H H 3 O Г O H | H OH Г O | O P O 5 O- H H 3 O O H | H O P O 5| O- H H H 3| O H OH H Т O O У O | O P O 5 O- H O O P O 5| - H H | H 3 O H O H H 3 O O H | H OH Рис. 15.1 Строение участков полинуклеотидной цепи ДНК и РНК (где Ааденин, C-цитозин, G- гуанин,Т- тимин, U-урацил) ры в физиологических условиях, обеспечивающей сохранность генетической информации. Первичной структурой ДНК является последовательность чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Для обозначения последовательности первичной структуры полинуклеотидной цепи применяют однобуквенные символы, образующих ее нуклеотидов, которые идентичны символам соответствующих азотистых оснований. Например: 5'CATGTA3'. Большие успехи в изучении первичной структуры ДНК были достигнуты в результате работ Чаргаффа. В результате этих исследований были сформулированы правила Чаргаффа: 1 правило: суммарное содержание пуриновых нуклеотидов равно суммарному содержанию пиримидиновых (А+G=C+U+Т); 2 правило: содержание тимина равно содержанию аденина (Т=А); 3 правило: содержание гуанина равно содержанию цитозина (G=C); 4 правило: суммарное содержание аденина и цитозина равно суммарному содержанию гуанина и тимина (А+C=G+Т). Такие соотношения не свойственны РНК. Благодаря фосфатным остаткам молекула ДНК несет сильный отрицательный заряд. Дезоксирибоза с ее гидроксильными группами также проявляет гидрофильные свойства. Азотистые основания, наоборот, почти не растворимы и имеют ярко выраженные гидрофобные свойства. Кодированная информация записана в последовательности оснований. Цепь ДНК можно схематически изобразить следующим образом (рис.15.2). фрагмент остова 2|-дезоксирибоза 0,6 нм инфомационная или кодирующая часть структуры основание 0,33 нм 0,27 нм фосфат 2|-дезоксирибоза основание гидрофобная поверхность фосфат 2|-дезоксирибоза основание фосфат Рис.15.2 Цепь ДНК Вторичная структура ДНК была расшифрована в 1953 г. Д.Уотсоном и Ф.Криком. В основу модели Уотсона и Крика заложены следующие положения: 1.Молекулы ДНК построены из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно по всей длине связанных друг с другом водородными связями. 2.Водородные связи между цепями образуются за счет специфического взаимодействия остатка аденина одной цепи с остатком тимина другой цепи (пара А····Т) и остатка гуанина одной цепи с остатком цитозина другой цепи (пара Г····Ц). Причем в первом случае образуется две водородные связи, а во втором – три (рис 15.3) . H O H N N H N N N сахар-фосфат N N O фосфат-сахар Т А 1.11нм H N H O N H N O H N N фосфат-сахар N N N сахар-фосфат H Ц Г 1.08нм Рис 15.3 Схема образования водородных связей между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями в составе ДНК. Основания, образующие пару, являются комплементарными друг другу в том смысле, что возникновение водородных связей между ними более вероятно, чем при других сочетаниях. 3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК в составе двойной цепи комплементарна первичной структуре другой цепи (рис.15.4). Если в положе- 5| 3| А Т Т Ц Т Ц Г Т Ц Г Г Т А А Г А Г Ц А Г Ц Ц 3| 5| Рис.15.4 Комплементарные пары азотистых оснований, стабилизирующие двойную спираль ДНК нии n ( считая с 5'-конца) первой цепи находится остаток аденина, то в положении n ( считая с 3'-конца) второй цепи находится комплементарный ему остаток тимина, а не другое азотистое основание. То же относится к цитозину и гуанину. Таким образом, зная первичную структуру одной цепи ДНК и используя принцип комплементарности, можно записать первичную структуру другой цепи. 4. Обе цепи закручены относительно общей оси в спираль – двойная спираль или дуплекс (рис.15.5). 5|-конец 5|, 3|-направление O | CH2 3| Г Ц O 3 O | 5| CH2 O 5 |, 3 |-направление OH O P O 5 5|-конец 3|-конец O Г Ц Г Ц А Т Т А O P O O 3,4 нм O O P O O 5| CH2 O Г Ц 3| O 3| 3|-конец 5| CH2 O Г Ц А Т ТА Ц Г O P O O O P O O O 3| 5| CH2 O А Т O 5| CH2 3| O OH O P O 3|-конец 5|-конец O 5|-конец 3|-конец 2,0нм Рис.15.5 Две антипараллельные цепи ДНК свернутые в двойную спираль Азотистые основания обращены внутрь спирали; их плоскости перпендикулярны оси спирали и параллельны друг другу, образуя внутри спирали стопку оснований. Между основаниями в такой стопке возникают гидрофобные (стэкинг-взаимодействия), которые наряду с водородными связями способствуют стабилизации структуры двойной спирали. Азотистые основания не контактируют с окружающим водным раствором. Третичная структура ДНК. В вирусах, клетках бактерий и высших организмов молекулы ДНК образуют более сложные структуры. Выделенные из вирусных частиц молекулы ДНК имеют либо линейную, либо кольцевую форму. Кроме того, линейная молекула ДНК может свертываться в плотный клубок, кольцевая двухцепочечная ДНК легко переходит в суперспирализованное состояние, которое обеспечивает плотную упаковку громадной молекулы ДНК в малом объеме ядра или клетки (рис.15.6). а г б в Рис.15.6 Третичная структура молекул ДНК: а-линейная; б-кольцевая; в- суперспирализованная; г- компактный клубок 14.2 Строение рибонуклеиновых кислот Рибонуклеиновые кислоты представляют собой полимеры из нуклеозидфосфатных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью. В качестве азотистых оснований в РНК присутствуют урацил, цитозин, аденин и гуанин. В РНК можно также встретить множество необычных и модифицированных азотистых оснований. Существует три вида РНК: матричная (мРНК), рибосомная (рРНК) и транспортная (тРНК). мРНК составляет около 2% всей РНК клетки, содержит 400-6000 нуклеотидов и является комплементарной копией ДНК и имеет односпиральное строение. мРНК переносит генетическую информацию от ДНК, находящейся в клеточном ядре, в цитоплазму. рРНК составляет около 80% всей РНК клетки, содержит 120-5000 нуклеотидов встречается в различных формах и образует с белком рибосому – сложный надмолекулярный комплекс, в котором происходит биосинтез белка. Наиболее сложное строение имеют тРНК (рис.15.7), которые высокоспецифичны и для каждой аминокислоты существует своя тРНК. 3/-конец акцепторный A конец C C / 5 -конец A акцепторная водородная 1 G C 72 ветвь связь C G G C Т-ветвь G U 69 A U D-ветвь U A 7 U A 64 C U A* C A C G A Т-петля 12 U D-петля G C U GUG T C * A DGA CUCG C * Ψ 56 D U G C G* GG AGAG *GC GA G 27 C G 20 вариабельная U 44 A петля C G * антикодоновая A Ψ ветвь *C A 38 U Y антикодоновая *G A A петля антикодон *=метилированное основание; Ψ -псевдоуридин; D-дигидроуридин Рис.15.7 Строение фенилаланиновой тРНК тРНК участвуют в процессе трансляции в качестве промежуточного связующего звена между нуклеиновыми кислотами и белками. Приведенная молекула тРНК небольшая молекула, содержащая в качестве первичной структуры примерно 75 нуклеотидов и имеющая молекулярную массу около 25 000. Характерной особенностью тРНК является наличие в них редких (минорных) оснований (псевдоуридин, дигидроуридин). Вторичная структура тРНК имеет вид «клеверного листа». Все тРНК начинаются с фосфорилированного 5'-конца и первым основанием обычно является гуанин (G). На 3'-OH-свободном конце находятся обычно три основания:A,C,C. Именно этот конец называют акцепторным – эдесь присоединяются переносимые остатки аминокислот. Односпиральные участки молекулы тРНК называются концами, или ветвями, а участки, где пары оснований соединяются водородными связями и образуют вторичную структуру, называются петлями. Выделяют D-, T- и антикодоновые ветви, содержащие специфический участок – антикодон. Петли состоят из двух антипараллельных цепей, вследствие чего в петлях возникают участки двойной спирали. Антикодон молекулы тРНК – это три последовательных нуклеотида, с помощью которых распознается соответствующий комплементарный кодон матричной РНК. Третичная структура тРНК напоминает вытянутую букву Г и не так компактна, как глобулярные белки той же молекулярной массы. Вопросы для самоконтроля к главе 15 1. Напишите уравнения стадий, через которые проходит гидролиз адениндезоксирибоyуклеоpида до дезокcирибозы и аденина. В каком растворе — кислом или щелочном — реакция будет проходить быстрее? 2. Покажите, как на основе метода резонанса можно предсказать, какое из соединений — цитозин или 2-оксипиримидин — будет проявлять большую тенденцию к существованию в виде таутомера амидного типа. 3. Для синтеза 1-D-глюкозилцитозина была использована следующая последовательность стадий: 2,4-диэтоксипиримидин HBr тетраацетат 1-бромглюкозы D-глюкоза (CH3CO2)O 4-этокси-1-(тетраацетил-D-глюкозил)пиримидон-2 NH3 (избыток) 1-D-глюкозилцитозин Напишите структуры участвующих в превращениях соединений и механизм реакции с 2,4-диэтоксипиримидином. Почему взаимодействие тетраацетата 1-бромглюкозы с 2,4-диэтоксипиримидином не приводит к образованию 6-этокси-1-(тетраацетил -D -глюкозил) пиримидона - 2 ? 4. Бактерии Escherichia coli выращенные в среде, содержащей меченный 15N хлористый аммоний, образуют 15N-ДНК. Это может быть установлено с помощью ультрацентрифугирования в концентрированном растворе хлористого цезия - седиментация более тяжелой 15N -ДНК происходит быстрее, чем седиментация обычной 14N-ДНК. ЕСЛИ культура бактерий, выращенная в среде, содержащей 15N, переносится в среду, содержащую 14N, то воспроизведение ДНК продолжается, но результат его зависит от времени, прошедшего с момента переноса на среду, содержащую 14N ; спустя одно поколение вся ДНК оказывается гомогенной — в ней содержатся равные количества 15N и 14N; спустя два поколения ДНК состоит из молекул двух типов (присутствующих в равных количествах), один из которых содержит 14 N, а другой — 14N , 15N. Что говорят эти данные относительно характера воспроизведении ДНК и ее устойчивости внутри клетки ? 5. Предположим, что имеется вещество, подобное ДНК, но построенное только из двух типов единиц. Как составить на этой основе код, детерминирующий включение двух аминокислот в белок, не содержащий «запятых», неперекрывающийся (это означает, что «буквы» каждого кодового «слова» используются только по одному разу) и притом такой, в котором все «слова» содержат одно и то же число «буква». 6. В ДНК содержится четыре различных основания —-аденин (А), цитозин (C), гуанин (G) и тимнн (Т). Обсудите возможность кодирования каждой из 20 аминокислот при синтезе белка 24 «словами»: ACGT, ACTG, AGCT, AGTC, ATCG, ATTCA, CAGT, CATG и т. д. С какими проблемами придется столкнуться при построении и использовании кода на основе приведенных выше «слов»? 7. ДНК бактериофага φХ174 имеет ряд необычных свойств. Во-первых, отношение аденин : тимин : гуанин : цитозин равно для него 1 : 1,33: 0,98 : 0,75. Во-вторых, в то время как при нагревании примерно до 80 °С переход обычной ДНК из сравнительно жесткой палочковидной структуры в беспорядочно свернутый клубок происходит весьма резко, ДНК фага φХ174 даже при комнатной температуре беспорядочно скручены. В-третьих, ферменты, способные расщеплять ДНК, проявляют намного большую активность по отношению к ДНК фага φХ174, чем к обычной ДНК. Вчетвертых, взаимодействие формальдегида с органическими основаниями обычной ДНК, приводящее к образованию основания Шиффа, происходит значительно медленнее, чем соответствующие реакции с ДНК фага φХ174. Наконец, если у φХ174 удалить белковую оболочку и освобожденную ДНК подвергнуть ультрацентрифугированию, то ДНК разделится на две фракции; более быстро осаждающаяся фракция (I) способна заражать специальным образом обработанные клетки, тогда как более медленноосаждающаяся фракция (II) такой способностью не обладает. Под действием фермента, расщепляющего цепи ДНК, фракция I дает сначала неактивную ДНК (фракцию II), а затем фрагменты различной молекулярной массы. Как можно объяснить приведенные выше факты, исходя из определенного представления о структуре ДНК фага φХ174 ? 8. Известен фермент, превращающий нуклеотиддифосфаты в полирибонуклеотиды. Полиуридиловая кислота (уридиловая кислота = у рацилрибозид-5'-монофосфат), синтезируемая с помощью этого фермента, легко соединяется с полиадениловой кислотой в отношении 1:1, что приводит к палочковидной структуре. Объясните эти наблюдения, приведя возможные структурные формулы. 9. Напишитe структуру динуклеотида. 10.Рибонуклеиновая кислота (РНК) появилась раньше дезоксирибонуклеиновой кислоты. Почему появилась ДНК? 11.Основания в ДНК гидрофобны. Объясните, как это влияет на структуру двуцепочечной ДНК. 12. Назовите основные характеристики двойной спирали ДНК. Это лево- или правозакрученная спираль? Сколько пар оснований формируют один виток спирали ДНК? 13.Объясните, что означает антипараллельность цепей ДНК в двойной спирали. 14.Объясните, что означает направление 5'—>3' в линейной молекуле ДНК. 15. Если вы видите структуру ДНК, записанную как CATAGCCG, что она означает, исходя из структуры двойной спирали и полярности ее цепей? Объясните свой ответ. Глава 16 Хранение и передача генетической информации 16.1 Биологические функции нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты и, прежде всего ДНК, являются материальными носителями наследственной информации и определяют видовую специфичность организма. Носителями наследственной (генетической) информации являются пуриновые и пиримидиновые основания, подобно тому, как боковые заместители аминокислот определяют пространственное строение и функциональные свойства белков. Сочетания трех рядом стоящих нуклеотидов в молекуле ДНК называются триплетами оснований или кодонами. Сумма всех кодонов ДНК составляет генетический код. Ген – единица наследственности, представляет собой часть гигантской молекулы ДНК и содержит закодированную информацию о последовательности аминокислот одной полипептидной цепи (уточнение этого термина см. в разделе 16.3). Ген содержит информацию, определяющую фенотипический признак организма (цвет глаз и волос, рост, пол ). Гены локализованы в хромасомах, которые находятся в ядре клеток. Вся совокупность ДНК, содержащихся в клетке, называется геномом. Количество генов в геноме человека составляет 100 000, а в геноме бактерии кишечной палочки (Escherichia coli) – 4 307. Генетическая информация передается от родительской клетке к дочерней путем репликации (копирования) – точного воспроизведения ДНК. Генетическая транскрипции информация, заложенная (переписывания) последовательность мРНК. в ДНК, переводится Матричная РНК, в в в процессе нуклеотидную свою очередь, взаимодействует с соответствующими специфическими аминоацил-тРНК, в результате чего происходит последовательное присоединение аминокислот. Перевод генетической информации из аминокислотную белка (перевод). последовательность РНК в специфическую называется трансляцией Процесс передачи генетической информации можно представить схемой на рисунке 11.1. транскрипция ДНК РНК трансляция репликация накопление белка накопление ДНК Рис 11.1 Схема переноса генетической информации 16.2 Биосинтез ДНК (репликация) В настоящее время процесс репликации достаточно хорошо изучен у прокариотов (бактерий) и в меньшей степени у эукариотов (грибов, растений и животных). Однако с большой долей уверенности можно утверждать, что в большинстве клеток этот процесс протекает в основном одинаково. Далее будет рассмотрен механизм репликации ДНК у бактерии Escherichia coli Для передачи дочерним клеткам генетической информации в процессе репликации двойная спираль ДНК ферментативным путем разделяется, а затем на каждой из старых цепей синтезируются новые цепи. При этом нуклеотиды новых цепей спариваются комплементарно с нуклеотидами старых цепей, причем старые цепи выступают как матрицы. Сохранение последовательности нуклеотидов в процессе репликации происходит благодаря высокой специфичности образования водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиридиновыми основаниями, заключающейся в том, что, например, аденин на одной цепи двойной спирали всегда будет находится напротив и образовывать водородные связи с тимином второй цепи. В результате репликации синтезируются две дочерние молекулы ДНК, совершенно идентичные по нуклеотидному составу родительской молекуле. В каждой дочерней молекуле одна цепь получена от родительской ДНК, а вторая синтезирована заново. Этот путь биосинтеза ДНК называется полуконсервативной репликацией (рис.16.2). + родительская молекула ДНК дочерние молекулы ДНК Рис.16.2 Полуконсервативная репликация ДНК Обязательным условием репликации является: - набор четырех дезоксинуклеозидтрифосфатов: dATP,dGTP, dCTP, dTTP; -присутствие копируемой двухцепочечной молекулы ДНК; -действие ферментов репликации, главными из которыми являются ДНКполимеразы, катализирующей соединение нуклеотидов в направлении 5'→3'; - наличие 3'-OH РНК-праймера, синтезируемого на основе ДНК.Обычно праймер содержит от 10 до 60 нуклеотидов и синтезируется на родительской ДНК, используя ее как матрицу. Первой стадией репликации является стадия инициации. Она начинается с раскручивания родительской двойной спирали ДНК с помощью ферментов ДНК-хеликаз, которые для этой цели используют энергию гидролиза ATP. В результате раскручивания молекулы ДНК образуется репликативная вилка ДНК (рис.16.3). Далее при участии ДНК-полимеразы полинуклеотидные цепи. Этот фермент синтезируются катализирует новые связывание мононуклеозидтрифосфата со свободной концевой группой 3'-OH-группе праймера, высвобождая при этом неорганический пирофосфат (PPi). Гидролиз пирофосфата увеличивает отрицательное значение ∆G0 синтеза полинуклеотидной цепи, способствуя, таким образом, протеканию реакции полимеризации. Включение нуклеотида в новую цепь ДНК сопровождается образованием водородных связей с родительской ДНК. При этом происходит высвобождение энергии, что делает процесс термодинамически выгодным. Синтез ДНК всегда протекает в направлении от 5'-конца к 3'-концу полинуклеотидной цепи (рис.16.4), поэтому на одной из цепей репликативной вилки (лидирующей) новая цепь синтезируется непрерывно по мере раскручивания родительской ДНК, причем вероятность включения основания не комплементарного основанию родительской ДНК, составляет менее 10-4. На другой цепи (запаздавающей) по мере раскручивания ДНК образуются короткие фрагменты – фрагменты Оказаки (открытые в 1968 г. Р.Оказаки), содержащие 1000-2000 нуклеотидов. Далее при действии ДНКлигазы происходит объединение этих фрагментов в молекулы ДНК. Скорость репликации у прокариотов очень высока и достигает 1700 пар оснований в секунду, т.е. весь геном бактериальной клетки синтезируется за 40 мин. Вторая стадия реаликации – созревание –процесс образования двухцепочечной молекулы ДНК. Третья стадия- корректорская правка- удаление неправильных (образующих некомплементарные пары) оснований, образование недостающих оснований или соединение цепей в молекуле ДНК в случае их разрыва. Коррекцию осуществляют ферменты репарации: экзо- и эндонуклеазы, рестриктазы и лигазы. Все это обеспечивает высокую точность репликации: возможна ошибка на 109 пар оснований. При завершении коррекции удаляется и праймер. Репликация ДНК может быть нарушена различными факторами: химическими ядами, УФ-облучением. антибиотиками, мутагенами, 16.3 Биосинтез РНК (транскрипция) Для того чтобы хранящаяся в ДНК информация могла быть использована, ее необходимо переписать (транскрибировать) в последовательность матричной (информационной или мессенджерной) РНК. При этом ДНК служит только матрицей, т.е. она не меняется в процессе транскрипции. Транскрибируемые последовательности ДНК, т.е. участки ДНК, которые кодируют определенные белки, называются генами. РНК является полинуклеотидом, похожим на ДНК, но имеющая свои особенности: - сахар в РНК представлен рибозой, имеющей во втором положении OHгруппу, а не дезоксирибозой. Гидроксильная группа в 2'- положении делает молекулу РНК химически более нестабильной по сравнению с ДНК. - мРНК представляет собой одноцепочечную молекулу, а не дуплекс двух молекул, из чего можно заключить, что мРНК – копия только одной из двух цепей ДНК гена; - в РНК имеется четыре основания: A, C, G и U, тимин (Т) отсутствует. Обязательным условием транскрипции является: фрагменты Оказаки запаздывающая цепь ДНК-лигаза ДНК-хеликазы родительская ДНК 3′ праймеры 5′ 3′ 5′ 5′ 5′ 3′ 3′ дочерние цепи ДНК ДНК-полимераза лидирующая цепь Рис.16.3 Репликативная вилка 3′ 3′ O O O O O P O P O P O- O- O- O G 5′ H - - O P O O H 3′ H OH H 5′ H C H A T родительская ДНК - O H 3′ H OH H дезоксирибонуклеозидтрифосфат (dATP, dGTP, dCTP,dTTP, но в данном случае dATP) ДНК-полимераза 5′ O O- O O P O P OH O- O- PPi 2Pi Рис.16.4 Реакция, катализируемая ДНК-полимераза G C 5′ O H 3′ H H +H2O H O P O - O H H O P O O A T 5′ 5′ O H 3′ H H OH родительская ДНК праймер ДНК праймер ДНК H H - набор трифосфатнуклеотидов ATP, CTP, GTP, UTP; - наличие ДНК-зависимой РНК-полимеразы (для краткости - РНКполимеразы), фермента катализирующего синтез мРНК. РНК-полимераза способна инициировать новые цепи, и ей не нужен праймер. Этим самым процесс транскрипции отличается от процесса синтеза ДНК. При наличии этих условий, возможно, начало процесса – инициации. Следующий этап – синтез цепи РНК под действием РНК-полимеразы (элонгация). Чтобы происходил катализируемый РНК-полимеразой синтез РНК, необходимо разделение цепей ДНК (рис 16.6а). Полимераза расплетает участок ДНК длиной около 17 пар оснований, образуя транскрипционный глазок, который продвигается вдоль ДНК. ДНК расплетается впереди полимеразы и закручивается позади ее. Синтезированная РНК (рис 16.6в) образует с ДНК двойную спираль РНК-ДНК длиной около 12 пар оснований (рис.16.5, рис.16.6 б ). ДНК закручивается ДНК раскручивается РНК-полимераза 5′ транскрипционный глазок 3′ 3′ 5′ спираль РНК-ДНК длиной 12 п.о. 3′ 5′ движение полимеразы участок синтеза РНК мРНК Рис 16.5 Схематическое изображение транскрипции ДНК РНК-полимеразой Escherichia coli РНК-полимераза продвигаясь вдоль матрицы, соединяет нуклеотиды в том порядке, который определен матрицей ДНК. Как и в случае ДНК, синтез РНК осуществляется в направлении 5'→3'. Нуклеотиды присоединяются к 3'OH-группам, и поэтому наращивание цепи (элонгация) происходит в направлении 5'→3'. Химическая реакция, катализируемая полимеразой, заключается в переносе α-фосфорильной группы нуклеозидтрифосфатов (прямо соединенной с рибозой ) на 3'-OH-группу предшествующего нуклеотида с высвобождением неорганического пирофосфата. Последний а 3′ P 5′ O G P C P ДНК O P O A T T A O A T O C G O G C O C G P O P O P O P O P O P O P P P P P участок, более подробно показан слева O O T P A P O 5′ P 3′ ДНК Рис.16.6 (а) Схематическое изображение синтеза РНК на матрице ДНК (участок двойной спирали ДНК перед транскрипцией) 3′ б P 5′ O G P C P ДНК O P O A T T A O A T O C G O G C O C G P O P O P O P O P O P O P P P P P O O T P A P образующаяся РНК O 5′ P 3′ Рис.16.6 (б) Схематическое изображение синтеза РНК на матрице ДНК (цепи спирали под действием РНК-полимеразы расходятся в том месте, где будет происходить транскрипция) OH рибонуклеотиды в O U 5′ OH G P P P P C 3′ OH O O P OH O T P O U O A P O P O C G P P P P OH C O OH O P O A A O P P P C G T P A образующаяся цепь РНК OH P O P P P P O CH4 ДНК P P P T G P O A O OH O T O G O C O P P P P P освободившийся пирофосфат G O P P P P P P O P O P 3′ цепьДНК O A P 5′ вторая комплементарная цепь ДНК,которая не копируется РНК Рис.16.6 (в) Схематическое изображение синтеза РНК на матрице ДНК (образование молекулы РНК, комплементарной одной из цепей ДНК) г 3′ 3′ P 5′ O P G C A T T A O A T O C G O G C O C G P O P C P U P A O P U O G O P C O P G P ДНК O P O O P O P O P O P O P O P O P O P P P P P O O T P A O P A P O 5′ 5′ P 3′ ДНК РНК РНК Рис.16.6 (г) Схематическое изображение синтеза РНК на матрице ДНК (по окончании транскрипции восстанавливается исходная двухспиральная структура ДНК) цепь РНК - O P O 5′ H O - O P O O O цепь РНК основание O H 3′ H OH OH O HP O P O P O- O- O- O 5′ O H 3′ H OH входящие нуклеотиды H O - O O P O P OH O - O PPi O H - O H OH O P O - +H2O OH основание 5′ H 3′ H H основание H O РНК-полимераза основание O 5′ O H 3′ H 2Pi H OH H OH точка присоединения следующего нуклеотида Рис.16.7 Реакция, катализируемая РНК-полимеразой гидролизуется с образованием двух молекул Pi, что делает эту реакцию экзоэргонической (рис.16.6 в, 16.7 ). Терминация – прекращение роста цепи, которое наступает, если в цепи ДНК встречается так называемый палиндром, например AATT (обратно тоже AATT) или CCCGGG. Процессинг – процесс созревания РНК, или уточнения структуры, что особенно важно для мРНК – она должна быть точной копией ДНК. Этот процесс еще называется сплайсингом и заключается в удалении ненужных оснований и образовании точного соответствия транскрибированных последовательностей соответствующим участкам ДНК. Описанный процесс транскрипции с одним основным ферментом – РНК-полимеразой – характерен для прокариотов. У эукариотов действуют три РНК-полимеразы. 16.4 Биосинтез белков (трансляция) Биосинтез белков является главным механизмом реализации наследственной информации, заложенной в полинуклеотидных цепях нуклеиновых кислот. Биосинтез белков называется трансляцией (от лат. translatio — перевод). Трансляция - это преобразование информационного текста, записанного на языке «нуклеиновой кислоты», в текст, записанный на «языке белков». Как показали результаты биохимических исследований, последовательность нуклеотидов в нуклеиновых кислотах однозначно определяет порядок расположения аминокислотных остатков в полипептидных цепях белковых молекул. В то же время химическая природа мономеров (нуклеотиды и аминокислоты) настолько различна, что они не могут непосредственно взаимодействовать друг с другом. К тому же в нуклеиновых кислотах варьируется всего 4 нуклеотида, в то время как в белках чередуются 20 остатков различных аминокислот. Отсюда можно сделать вывод, что для каждой аминокислоты существует своя последовательность нуклеотидов - триплет оснований, или кодом, который кодирует включение ее в полипептидную цепь белка. Данный вывод можно подтвердить простым математическим расчетом. Если бы кодон для каждой аминокислоты содержал два нуклеотида, то было бы возможно 42 = 16 сочетаний; такого числа кодонов явно недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Если взять комбинацию из трех нуклеотидов, то получается 43 = 64 кодона. Таким образом, триплетный код достаточен для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав природных белков. Кодирование в нуклеиновых кислотах информации о структуре белков - явление в биологическом и в химическом плане уникальное. Способ кодирования генетической информации получил название генетического кода (его также называют биологическим, нуклеотидным, аминокислотным кодом. Свойства генетического кода были исследованы впервые Ф. Криком и его сотрудниками. Ими было показано, что генетический код триплетен (т. е. одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов). Затем последовали эксперименты, в ходе которых были разработаны методы определения состава кодонов (М. Ниренберг и И. Маттеи, 1961 г.). Так было выяснено, что триплет нуклеотидов UUU (U — урацил) кодирует аминокислоту фенилаланин, а триплет CCC (C — цитозин) — пролин. К 70-м годам XX в. удалось полностью выяснить состав генетического кода (табл. 16.1). Генетический код Таблица 16.1 Основание Среднее основание 5'-конца U С A U C A G фенилаланин cерин тирозин цистеин UUU UCU UAU UGU фенилаланин серин тирозин цистеин UUC UCC UAC UGC лейцин cерин UAA UCA UAA UGA лейцин серин терминатор1 триптофан UUG UCG UAG UGG лейцин пролин гистидин аргинин CUU CCU CAU CGU лейцин пролин гистидин аргинин CUC CCC CAC CGC лейцин пролин пистидин аргинин CUA CCA CAC CGC лейцин пролин глутамин аргинин CUG CCG CAG CGG изолейцин треонин аспарагин серин AUU ACU AAU AGU изолейцин треонин аспарагин серин AUC ACC AAC AGC изолейцин треонин лизин аргинин AUA ACC AAA AGA метионин2 треонин лизин аргинин AUG ACG AAG AGG терминатор1 терминатор1 Основание 3'-конца U C A G U C A G U C A G G 1 валин аланин аспар.к-та глицин GUU GCU GAU GGU валин аланин аспар.к-та глицин GUC GCC GAC GGC валин аланин глутам.к-та глицин GUA GCA GAA GGC валин аланин глутам.к-та глицин GUG GCG GAG GGG U C A G терминаторы не кодируют аминокислот, они обозначают окончание транскрипции 2 триплет AUG является кодоном, инициирующим начало трансляции Результаты исследования генетического кода можно обобщить в следующих положениях. - генетический код триплетен; - генетический код однозначен, т. е. каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Исключение составляют только инициаторные кодоны AUG и GUG. В начале трансляции они кодируют включение формилметионина, а находясь внутри цепи, AUG кодирует метионин, а GUG — валин; - генетический код является вырожденным, т. е. одной аминокислоте соответствует более чем один кодон (табл. 16.2). Например, для серина существует шесть, для глицина и аланина — по четыре, для многих других аминокислот — по два кодона. Исключение составляют триптофан и метионин, кодируемые одним кодоном. Вырожденность генетического кода Таблица 16.2 Название аминокислот Кодирующие кодоны Название аминокислот Кодирующие кодоны аланин GCA, GCC, лизин AAG, AAA GCG,GCU аргинин AGA, AGG, CGA, метионин AUG CGC, CGG, CGU аспар.к-та GAU, GAC фенилаланин UUC,UUU, аспарагин AAC, AAU триптофан UGG глутам.к-та GAA, GAG пролин CCA, CCC, CCG, CCU цистеин UGC, UGU серин AGC, AGU, UCA, UCC, UWU, UCU глутамин CAA, CAG треонин ACA, ACC, ACG, ACU глицин GGA, GGC, GGG, тирозин UAC, UAU валин GUA, GUC, GGU гистидин CAU GUG, GUU изолейцин AUA, AUC, AUU Кодоны UAA UAG UGA терминаторы лейцин UUA, UUG, CUA, CUC, CUG, CUU - UAG, UAA и UGA — кодоны-терминаторы, кодирующие прекращение синтеза полипептидной цепи; - cамым значимым свойством генетического кода является его универсальность,т.е. он в основном одинаков у организмов, стоящих на разных уровнях развития: у человека, растений, вирусов, бактерий. Такая универсальность генетического кода легла в основу генной инженерии. Например, рибосомы и молекулы тРНК в кишечной палочке Е. coli могут осуществлять трансляцию цепи мРНК, кодирующей синтез гемоглобина, и синтезировать полноценный гемоглобин. Универсальность кода свидетельствует также о древности его происхождения и консервативности, в результате которой даже при длительной эволюции важнейшие особенности метаболизма сохраняются неизменными. Сходство генетического кода у разных организмов — это прямое доказательство того, что все живые организмы произошли от единого предка. Механизмы репликации ДНК, транскрипции РНК и трансляции бел- „ ка в общих чертах одинаковы у всех организмов. Эволюция шла не путем изменения основных биосинтетических процессов, а путем образования дополнительных генов для синтеза новых ферментов, новых белков, обладающих разнообразными структурами и функциями. Такой ход эволюции обеспечил огромное разнообразие живых существ на Земле. Последовательность событий при трансляции можно представить следующим образом. 1. Активация аминокислоты и присоединение ее к тРНК с образованием аминоацил-тРНК. Этот процесс катализируется специфической для каждой аминокислоты ферментом – аминоацил-тРНКсинтетазой. Источником энергии для этого процесса служит гидролиз АТФ. На первом этапе происходит взаимодействие аминокислоты (16.1) с ATP (16.2). При этом происходит образование ангидридной связи с 5'фосфатной группой ATP. Результатом этого является образование аминоациладенозинмонофосфат (аминоацил-AMP)(16.3) и пирофосфата (16.4) (рис.16.8). На втором этапе аминоацильная группа переносится на 3'-OH-группу концевого рибозного остатка соответствующей тРНК (16.5). При этом образуется аминоацил-тРНК (16.6) и AMP, который в фосфорилирования регенерирует исходный ATP(15.2) (рис.16.9). результате NH2 N N R-CH-COO + O NH3 P O P O P O (16.2) (16.1) N O O O O N O O O H H OH OH H H NH2 N O R-CH-C N O O NH3 P O N + O O N H H OH OH H O O O P O P O O H (16.3) (16.4) Рис.16.8 Реакция образования аминоациладенозинмонофосфата Образование комплекса тРНК строго со своей аминокислотой очень важно: ошибка в формировании комплекса аминоацилтРНК приведет к тому, что в полипептидную цепь белка в данном месте включится не та аминокислота, которая должна быть. Действие тРНК и катализирующих процесс активации ферментов очень специфичны. 2. Инициация трансляции начинается с момента присоединения формил-метионина (fMet) (именно с этой кислоты начинается биосинтез белка!) к специфической тРНК-формил-мет, отличающейся от тРНК-мет, с помощью которой метионин включается в срединную часть полипептидной цепи (у этих тРНК различные антикодоны). O NH2 N N O R-CH-C N O O P NH3 O N O O O A H H OH OH H O + H H H OH OH H H (16.5) (16.3) NH2 N N A O O H H H O P O O OH O C R-CH N + H O N O O H H OH OH H (16.6) H (16.7) NH3 Рис.16.9 Реакция образования аминоацил-тРНК Следующий момент инициации - образование инициирующего комплекса на 30S субчастице (16.8, рис.16.10). К рибосоме, к ее субъединице 30S, присоединяется мРНК, а к ней, к донорному центру присоединяется формилметиониновая тРНК. Присоединение 50S (субъединицы рибосомы) и образование 70S -инициирующего комплекса (16.9) и факторов инициации (IF-1, IF-2, IF-3) завершает эту стадию. 3. Элонгация - продолжение процесса трансляции, последовательное включение остатков аминкислот в состав растущей полипептидной цепи. Каждый акт элонгации состоит из трех ступеней: fMet-тРНК матричная РНК антикодон 30S субчастица кодон GTP этап 1 IF1 5′ IF2 матричная РНК IF3 fMet fMet 3′ 5′ 3′ 5′ формил метиониновая тРНК формил метиониновая тРНК U A A U рибосома IF1 IF2 30S IF3 U U G G IF3 C 50S акцепторный центр C A U G 30S IF1 IF2 U U G 5′ 3′ донорный центр U A 50S этап 2 3′ донорный центр акцепторный центр (16.9) (16.8) Pi GDP IF2 IF1 в цикл элонгации Рис.16.10 Инициация трансляции fMet покидает рибосому fMet Leu 3′ 5′ fMet-тРНК матричная РНК 30S субчастица GTP этап 1 IF1 IF2 IF3 (16.9) + 5′ лейциновая тРНК A A формил метиониновая тРНК EF1⋅GTP Leu C этап 3 узнавание кодов EF1⋅GDP+Pi лейциновая тРНК пептидилтрансфераза U A C A A C A U G U U G 5′ донорный центр Leu OH 3′ 5′ акцепторный центр этап 4 образование пептидной связи 3′ 5′ формил метиониновая тРНК U A C A A C A U G U U G 3′ донорный центр (16.10) Рис.16.11 Элонгация лейциновая тРНК акцепторный центр fMet Leu EF3 GTP лейциновая тРНК этап 5 (16.10) A EF3⋅GDP+Pi OH U G A A U U рибосома перемещается вдоль мРНК C в этап 3 цикла элонгации G 5′ 3′ акцепторный центр донорный центр формил метиониновая тРНК заключительный этап U A C фактор терминации терминация белок Рис.16.12 Транслокация и терминация 50S 30S мРНК тРНК - узнавание кодона матричной РНК антикодоном тРНК; - образование пептидной связи; - перемещение полипептидной цепи вдоль мРНК (транслокация). Узнавание кодона служит основой для точного последовательного синтеза полипептидной цепи и состоит в комплементарном узнавании оснований 5'→3', ориентированных кодонов мРНК основаниями антикодона в тРНК, ориентированных в направлении 3'→5'. Иногда тРНК узнает не только один кодон и связывается с ним, но и два-три кодона из-за вырожденности генетического кода. Ф. Крик объяснил это явление способностью третьего основания в кодоне изменять свое положение в пространстве и назвал такой феномен качанием кодонов. В процессе прикрепления тРНК к рибосоме участвуют специальные белки - факторы элонгации, обозначаемые EF, и гидролизуется GTP с выделением энергии (рис.16.11). 4. Образование пептидной связи начинается после того, как комплекс TPHK-EF3-GTP свяжется с акцепторным центром EF-3-ГТФ после гидролиза ГТФ рибосомы. Затем фактор покидает рибосому, и здесь остается аминоацил-тРНК. Теперь, когда оба центра (донорный и акцепторный) заняты молекулами аминоацил-тРНК, часть 50S субъединицы, являющаяся ферментом пептидилтрансферазой, катализирует образование пептидной связи. В результате этой реакции растущая полипептидная цепь оказывается присоединенной к тРНК акцепторного центра, а тРНК донорного центра высвобождается из комплекса с пептидом со свободной З'-ОН группой (рис.16.11). 5. Транслокация. Сущность этого своеобразного процесса состоит в том, что тРНК донорного центра, не связанная с пептидом, покидает рибосому, а молекула полипептидил-тРНК переходит с акцепторного центра на донорный и, наконец, рибосома перемещается вдоль мРНК на три нуклеотида в сторону З'-ОН-конца. В результате освобождается акцепторный центр и становится доступным очередной кодон, что позволяет начаться следующему циклу элонгации (рис.16.11). 6. Терминация. Окончание синтеза пептидной цепи происходит по ко- манде кодонов UAA, UGA, или UAG: в природе нет таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам; их называют терминаторами. На стадии терминации специальные белки или факторы терминации изменяют специфичность фермента пептидилтрансферазы таким образом, что гидролизуется связь между концевым пептидом и тРНК, и освобожденная полипептидная цепь диффундирует от рибосомы. Вслед за этим происходит диссоциация комплекса мРНК-рибосома, а затем рибосома диссоциирует на 30S и 50S субъединицы. После связывания этих субъединиц с другой молекулой мРНК весь цикл биосинтеза нового белка начинается сначала (рис.16.11). После окончания биосинтеза полипептидной цепи начинается формирование пространственной структуры белка. Поcледняя определяется свойствами аминокислот, входящих в состав белка: гидрофобные структуры ориентируются внутрь белковой глобулы, а гидрофильные - наружу. Ранее формирование пространственной структуры белка (свертывание полипептидной цепи) считалось самопроизвольным процессом, в результате которого возникала активная форма белка, энергетически более выгодная и стабильная, чем хаотичный клубок. Но если бы в клетке отбор наиболее выгодных конформаций белковых молекул происходил случайно, то такой процесс занял бы миллионы лет. Реально же пространственная структура белка формируется в течение минут при участии специальных белков - шаперонов, белковых комплексов, которые предупреждают нежелательное свертывание полипептидной цепи при выходе ее с рибосомы и формируют нативную конформацию белка. Связывание шаперонов с отдельными фрагментами полипептидной цепи стабилизирует частично свернутую молекулу до того мрмента, пока не произойдет правильное сворачивание белка. Это означает, что шапероны должны "отойти" от полипептида, и после их диссоциации завершается формирование третичной структуры белка. Хотя не все детали этого процесса ясны, сейчас уже очевидно, что шапероны играют важнейшую роль в формировании нашивной структуры белковых молекул. Надо подчеркнуть, что шапероны имеют отношение к кинетике процесса свертывания, а не к конечной пространственной структуре белка, которая определяется аминокислотной последовательностью. Вопросы для самоконтроля 1. Почему для кодирования 20 аминокислот используется 61 кодон, а не 64? 2. Почему на схемах в спаренном с кодоном состоянии молекулу тРНК располагают в перевернутом виде по сравнению с той же РНК, показанной отдельно? 3.Что является субстратом для синтеза ДНК? 4.Почему при синтезе ДНК используется TTP, а не UTP, как в РНК? 5. Что является движущей силой синтеза ДНК? 6. Объясните, что такое тиминовый димер, как он образуется и как репарируется? 7.7а. Может ли цепь ДНК синтезироваться с использованием только четырех нуклеозидтрифосфатов? 7б. В каком направлении происходит синтез ДНК? ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изложенные в учебном пособии данные о строении биомолекул и их функционировании в ходе биохимических реакций убедительно свидетельствуют о тесной взаимосвязи между их структурой и функцией, причем биологические функции проявляются на более высоком уровне организации молекул. Другая важная сторона метаболизма - неразрывность процессов катаболизма и анаболизма и их регуляция на всех уровнях - от молекулярного до генетического, от модификации субстрата или фермента до сложных регуляторных механизмов, которые функционируют с помощью гормонов, рецепторов, медиаторов, посредников. Биохимическая логика жизнедеятельности - переход от гена к признаку. Этот переход осуществляется уникальными биомолекулами (ДНК и РНК) с участием биокатализаторов - ферментов. Жизнь сама по себе - сложнейший метаболический процесс, в котором макромолекулы: белки, углеводы, активно действуют главные липиды, составляющие их низкомолекулярные компоненты и многочисленные биологически активные вещества, выполняющие как структурную, так и регуляторную роль. Между превращениями белков, углеводов и жиров существует теснейшая взаимосвязь, позволяющая в сложном организме отдельным частям клетки и органам функционировать в согласии друг с другом, поддерживая жизнедеятельность. Существуют различные пути проявления взаимосвязи в процессах обмена веществ: наличие общих предшественников и промежуточных метаболитов, сходное энергетическое обеспечение, общие конечные пути окисления и образование похожих конечных продуктов, а также общие пути регуляции этих процессов. Среди названных путей взаимосвязи различных процессов обмена веществ следует выделить наиболее важные. Первый пример взаимосвязи - общее энергетическое обеспечение. При биосинтезе простых и сложных биомолекул в качестве общего источника энергии используются либо ATP, обеспечивающий энергию фосфорилирования, либо NADH и NADPH, поставляющие восстановительную энергию. Если в клетке имеет место синтез какого-либо вещества, то он происходит за счет распада другого вещества, что можно видеть на различных примерах. Например, если в печени усиливается образование глюкозы за счет глюконеогенез, то синтез белков и жиров в этот момент невозможен, наоборот, необходимо гидролизовать часть белков и липидов и окислить аминокислоты и жирные кислоты, чтобы обеспечить биосинтез глюкозы энергией ATP и NADH. Другой пример: если в клетке усилены процессы образования мембран, то требуется ускорение распада углеводов для обеспечения энергией биосинтеза необходимых белков и липидов. Второй пример взаимосвязи - существование общих предшественников и промежуточных продуктов. Протекание самых разных реакций на этом пути включает и кооперативные, и сопряженные, и конкурентные взаимодействия. Примером может быть образование углеводов и липидов на основе глицерина, а также аминокислот - аланина, серина - на основе триоз, образующихся во время гликолиза. Следует отметить, что наиболее важным промежуточным продуктом обмена веществ, участвующих во всех метаболических реакциях, является ацетил-CoA - ключевая молекула и связующее звено различных сторон обмена. Существенно и наличие однонаправленности потока веществ в сторону липогенеза от углеводов и белков через ацетил- CoA. Поскольку в организме человека не существует механизма превращения ацетил-CoA в трехуглеродное соединение, то обратный переход углерода жирных кислот в глюкозу или аминокислоты невозможен. Третий пример взаимосвязи процессов метаболизма - общие конечные пути. Такими путями для распада всех биомолекул являются цикл Кребса и дыхательная цепь. Эти процессы используются для координации метаболических реакций на различных уровнях. Так, цикл Кребса является источником диоксида углерода для реакций карбоксилирования, с которых начинается биосинтез жирных кислот и глюкогенез, а также образование пуриновых и пиримидиновых оснований и мочевины. Взаимосвязь между углеводным и белковым обменом достигается через промежуточные метаболиты цикла Кребса: α-кетоглутарат и глутамат, оксалоацетат и аспар-тат. Ацетил-CoA прямо участвует в биосинтезе жирных кислот и в других реакциях анаболизма, а в этих процессах связующими конечными путями выступают реакции энергетического обеспечения с использованием NADH, NADPH и ATP. Важно подчеркнуть, что главным фактором для нормального обмена веществ и протекания нормальной жизнедеятельности является поддержание стационарного состояния. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М.: Мир,1987.980 с. 2. Кольман Я., Рем К.-Г.Наглядная биохимия. М: Мир,2004.469 с. 3.Элиот В.,Элиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002.446 с. 4.Вшивков А.А. Основы косметической химии. Учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Рос. проф.-пед.ун-та, 2005, 429 с. 5. Вшивков А.А. Материаловедение. Учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Рос. проф.-пед.ун-та, 2006, 494 с. 6. Слесарев В.И. Химия: Основы химии живого. СПб: Химиздат, 2001. 784 с. ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ Ответы к главе 1 1.Количество АТР, которое может быть синтезировано при использовании 5000 кДж свободной энергии составляет 5000/55, что соответствует 90,91 моль. Количество образовавшейся динатриевой соли АТР в этом случае составит 551·91 г в день, или 50 141 г (72 % веса тела человека). Синтез такого количества АТР возможен потому, что АТР в нашем организме непрерывно распадается до АDР и Рi, и вновь синтезируется. 2. ∆G =∆Go + RT·2,303 lg[ADP][ Pi]/ [ATP] где R (газовая постоянная) = 8,315·10-3 Дж·моль-1·K-1? T – температура в градусах Кельвина (298 K = 250C), получаем ∆G = –30,4 кДж·моль-1+(831,5·10-3)(298)2,303 lg[10-3][ 10-3]/ [10-3] = – 30,4-17,1= – 47,5 кДж·моль-1 3. Диссоциация фосфорной кислоты описывается тремя pKa: 2,2; 7,2; 12,3. а) HO P O O O OH HO P O HO OH OH pH=0 pH=4 P O O O P O O O pH=9 pH=14 Рис.1.2 Диссоциация фосфорной кислоты б) pH= pKa+ lg[соль]/[кислота] приемлемым значением pKa будет 7,2 pH= 7,2+ lg[Na2HPO4]/[ NaH2PO4]= 7,2+ lg 1= 7,2 Ответы к главе 2 1. Не вызывает сомнений, что катализ химотрипсином (как и многими другими ферментами) включает стадию образования комплекса (комплекса фермент-субстрат) и затем стадию разрыва связей. Исследование, проведенное на примере п-нитрофенилацетата, позволяет предположить, что комплекс гидролизуется в две стадии. На первой стадии отщепляется n-нитрофенол и образуется ацетилированный химотрипсин, который затем реагирует с водой, что приводит к образованию уксусной кислоты, прежде чем сможет начаться гидролиз другой молекулы n-нитрофенилацетата. Было показано, что каждая молекула химотрипсина реагирует с одной молекулой диизопропилфторфосфата (IX), причем образуется фермент, полностью утративший активность. Полный гидролиз фермента указывает на то, что фосфор связан с серином (X); это было интерпретировано как свидетельство в пользу того, что серин является непосредственной составной частью активного участка фермента . O -HF неактивный фермент α-химотрипсин + (CH3)2CHO 2P F O H2O (CH3)2CHO 2P O CH2CHCOOH NH2 Рис. 2.5 Ингибирование химотрипсина Химотрипсин содержит серу, но та ее часть, которая находится в форме цистиновых связей, по-видимому, не входит непосредственно в состав активного участка. Однако цистиновые связи, по всей вероятности, играют важную роль, определяя то, каким образом фермент изгибается вокруг субстрата. Видимо один из двух остатков метионина в химотрипсине может входить в состав активного участка, возможно, на второй стадии процесса. По-видимому, активным центром (или участком, близким к нему) является отрицательно заряженный центр. 2. Предположение о наличии в папаине потенциальных, но не проявляющих себя SH-групп может оказаться справедливым, если «замаскирована» в виде полутиокеталя или полутиоацеталя. группа SH H R C O S H2O -(X-CO2H) R C OH S O X C NH Y (пептид) R C O O X C S + NH2 Y Рис 2.6 Участие SH-групп в образовании тиокеталя или тиоацеталя 3.Для разделения D,L-аминокислот может быть использован гидролитический фермент, который реагирует исключительно (или более быстро) с каким-либо одним пептидом - либо с D-, либо с L-. Если, например, фермент реагирует только с L-пептидами, в итоге D -пептид останется непрореагировавшим. Гидролиз его приведет к D-аминокислотам. 4. Ферменты катализируют химические реакции по ряду причин: – их активные центры фиксируют переходное состояние субстрата прочнее, чем исходный субстрат, понижая тем самым энергию активации; –в активных центрах формируется предпочтительная ориентация реагирующих молекул; –ферменты могут осуществлять общий кислотно-основный катализ реакций; –ферменты способствуют правильной пространственной ориентации металлсодержащих групп, что облегчает протекание реакций. Ответы к главе 3 1. Значение ∆Go в реакции определяет, может ли реакция протекать, но ничего не говорит о скорости, с которой она будет протекать. Скорость реакции определяется энергией активации и скоростью образования переходного состояния 2. Для реакции X-OH + Y-H → X-Y + H2O ∆Go= 12,4 кДж·моль-1, для реакции ATP+ H2O→ AMP+PPi ∆Go= –32,2 кДж·моль-1, а для гидролиза PPi+ H2O → 2Pi ∆Go=– 33,5 кДж·моль –1(табл.3.3) Тогда реакция ATP+ H2O→ AMP+2Pi ∆Go= –65,7 кДж·моль-1, а итоговому синтезу X-Y, протекающему сопряжено с этой реакций будет отвечать ∆Go= –53,3 кДж·моль-1 3.ATP и ADP являются высокоэнергетическими соединениям фосфорного ангидрида, в то время как AMP – фосфорный эфир с низкой энергией. Значительная экзоэргоничность гидролиза ATP и ADP обусловлена рядом факторов. а) высвобождение фосфата снижает напряжение, вызванное электростатическим отталкиванием отрицательно заряженных фосфатных групп. Высвобожденные фосфаты-ионы расходятся. б)экзоэргоническому характеру гидролиза способствует большая, чем у стабилизация свободного фосфат-иона. незначительное увеличение резонансной фосфатных групп, резонансная Гидролиз AMP вызывает стабилизации. 4. Значение ∆Go в реакции определяет, может ли реакция протекать, но ничего не говорит о скорости, с которой она будет протекать (если вообще будет). Скорость реакции определяется энергией активации/ 5.Ионные связи, водородные связи и ван-дер-ваальсовы силы со средними энергиями 20, 12-29 и 4-8 кДж·моль–1 соответственно. Значение энергии активации формирования слабых связей очень небольшое, и поэтому такие связи могут легко образовываться без участия катализатора и также легко разрушаться, что приводит к гибкости структур, стабилизируемых слабыми связями, Установлено, что для ассоциации молекул необходимо большое количество слабых связей с малым радиусом действия. Такие связи и являются основой биологической специфичности.. 6. а) Неполярные молекулы не могут образовывать водородные связи с молекулами воды. Поэтому молекулы воды, окружающие молекулу бензола, организуются в более высоупорядоченную структуру, образуя водородные связи между собой. Такое увеличение упорядоченности понижает энтропию и увеличивает энергию системы; поэтому при соприкосновении с водой молекулы бензола вынуждены минимизировать поверхность взаимодействия бензол-вода сначала путем формирования сферических глобул, а затем – отдельного слоя. Результат известен как гидрофобное взаимодействие. б) Полярные группы глюкозы могут образовывать водородные связи с водой. в). Ионы Na+ и С1– гидратируются, и в результате снижения ионного притяжения свободная энергия уменьшается. Такое разделение ионов характеризуется понижением энтропии. Ответы к главе 4 1.Это полипептидная цепь, образованная большим количеством аминокислот, соединенных пептидными связями. 2.Полипептидная цепь белка свернута в определенную, обычно компактную глобулу, точная укладка которой зависит от нековалентных и ковалентных (дисульфидных) связей между боковыми группами аминокислот. При высокой температуре эти связи разрушаются, вызывая тем самым разупорядочивание полипептидных цепей белка и превращения их в запутанную нерастворимую массу, лишенную биологической активности. 3.а) около 4; б) около 10,5-12,5; в) около 6,0. 4.Суммарный заряд этой молекулы зависит от содержания аспарагиновой и глутаминовой кислот, а также лизина, аргинина и гистидина. Карбоксильные и аминогруппы других аминокислот задействованы в образовании пептидных связей (исключая две концевых). 5.Для расцепления D,L-аминокислот может быть использован гидролитический фермент, который реагирует исключительно (или более быстро) с каким либо одним пептидом – либо с D, либо с L. Если, например, фермент реагирует только с L-пептидами, в итоге D-пептид останется непрореагировавшим. Гидролиз его приведет к D-аминокислотам. 6.Белки относятся к природным высокомолекулярным соединениям (биополимерам), потому что молекула белка представляет собой длинную полипептидную цепь, последовательности состоящую аминокислотных из соединенных остатков, в определенной соединенных пептидной связью. Сходство белков с другими полимерами состоит в том, что в их макромолекулах много раз повторяется одна и та же сравнительно простая структура – мономер. Но между биополимерами и полимерами имеется и различие. Большинство природных, искусственных и синтетических полимеров построены из одинаковых мономеров. Белки же состоят из сходных, но не вполне одинаковых мономеров – аминокислот, у которых сходны только функциональные группы карбоксильная СООН и аминогруппа –NH2, а углеводородные радикалы могут быть разными. 7. Крахмал, целлюлоза и белок – природные высокомолекулярные соединения (биополимеры). Число повторяющихся звеньев – мономеров – в биополимерах достигает большой величины, а соответственно, они имеют и большую молекулярную массу. Для них также характерна линейная структура. В макромолекулах крахмала мономером является α-глюкоза, целлюлозы – βглюкоза, белка – аминокислоты. Макромолекулы крахмала, целлюлозы и белков отличаются не только числом и структурой элементарных звеньев, но и структурой молекул. Молекулы крахмала имеют линейную и разветвленную структуру, целлюлозы – только линейную структуру, тогда как только ограниченная часть белков имеет линейную структуру, а подавляющее большинство из них имеют участки, где цепь свернута в виде спиралей и глобул. 8. Белковые молекулы представляют собой сложно построенные агрегаты, в которых полипептидные цепи образуют лишь остов, имеющий разнообразную форму и несущий себе множество дополнительных групп и образований. В укладке полипептидной цепи нет ничего случайного или хаотического. Каждому белку соответствует определенный, всегда постоянный характер укладки. В сложной структуре белковой макромолекулы различают несколько уровней организации: первичная, вторичная и третичная структура белка. Эти уровни отличаются друг от друга структурой полипептидных цепей и образованием между ними связей, а также внешней формой: то они вытягиваются в нити, то эти нити скручиваются в спирали, из которых затем образуются глобулы. Таким образом, белки имеют очень сложное строение и характеризуются полифункциональностью, что отражается на их свойствах. Ответы к главе 5 1.Лецитин (холин), кефалин (этаноламин), фосфатидилсерин (серин). 2.Холин заменен на галактозу и олигосахарид соответственно. 3.Образуемый цис-ненасыщенными жирнокислотными хвостами изгиб предотвращает плотную упаковку хвостов жирных кислот липидного бислоя, что делает мембрану более текучей. 4.Для облегченной диффузии необходимы мембранные белки, позволяющие молекуле или иону пересекать мембрану в любом направлении согласно концентрационному градиенту. Для этого процесса энергия не требуется. Например, переход анионов хлора и гидрокарбонат-аниона через мембрану. 5.Если концентрацию снаружи обозначить C1, а концентрацию внутри обозначить C2, то ∆G=RT 2,303lg[C2]/[ C1] = 8,315·298K·2,303lg10/1=5706 кДж·моль-1. 6.Дифильных молекул. 7.Симпорт и антипорт. 8.Симпорт. Ответы к главе 6 1.Пепсин в виде пепсиногена, химотрипсин в виде химотрипсиногена, трипсин в виде трипсиногена, эластаза в виде проэластазы, карбоксипептидаза в виде про карбоксипептидазы. 2.Протеолитические ферменты потенциально опасны тем, что они могут атаковать белки, выстилающие протоки пищеварительного тракта. В тонком кишечнике отсутствуют компоненты, которые может атаковать амилаза. Поэтому амилаза синтезируется сразу в активной форме. Муцины защищают клетки от атаки протеолитических ферментов. 3.В желудке низкое значение pH вызывает конформационные изменения в пепсиногене. Они активируют саморасщепление молекулы с отщеплением от пепсиногена пептида, поддерживающего фермент в неактивном состоянии. Образовавшийся пепсин сразу же начинает активировать собственный синтез из пепсиногена, т.е. происходит автокаталитическая каскадная активация. В тонком кишечнике энтеропептидаза (фермент, вырабатываемый клетками кишечной стенки) активирует переход трипсиногена в трипсин, а тот в свою очередь, активирует остальные зимогены. 4.Панкреатит, или воспаление поджелудочной железы, вызванное протеолитическим повреждением панкреатических клеток. 5.Потому что клетки кишечника способны всасывать только мономеры ( и моноглицериды). Липиды, белки, полисахариды и дисахариды всасываться не могут. 6.Молоко содержит лактозу, гидролиз которой до глюкозы и галактозы катализирует фермент лактаза. В зрелом возрасте многие люди теряют способность синтезировать этот фермент. Лактоза не всасывается и подвергается брожению в толстом кишечнике. Благодаря осмотическому эффекту лактоза способствует поступлению воды в кишечник, вызывая понос. 7.Триглицериды 8.Липид (субстрат) эмульгируется при помощи моноглицеридов и жирных кислот (образовавшихся при первоначальном переваривании вместе с солями желчных кислот) таким образом, что липаза могла атаковать эмульгированную поверхность субстрата. Продукты переваривания вместе с солями желчных кислот переносятся клетками кишечника в виде дискообразных смешанных мицелл, обладающих высокой емкостью для этих продуктов. Вероятно, на поверхности клетки мицеллы разрушаются. Ответы к главе 7 1. глюкозо-1-фосфат + UTP → UDP-глюкоза + PPi PPi + H2O → 2Pi UDPG + гликоген(n) → UDP + гликоген(n-1) Гидролиз PPi делает полную реакцию сильно экзоэргонической. 2.В капиллярах липопротеинлипаза отщепляет жирные кислоты от триглицеридов и они немедленно поглощаются окружающими клетками. 3.ЛОНП – липопротеины очень низкой плотности. Они похожи на хиломикроны и переносят холестерин и триглицериды от печени к периферическим тканям. 4. Холестерин переносится из печени к периферическим тканям в ЛОНП. ЛОНП по мере потери триглицеридов превращаются вначале в ЛПП, а потом – в ЛНП. Последние захватываются периферическими тканями. Однако некоторые из ЛПП и ЛПП снова поступают в печень. ЛПП и ЛПП получают холестерин от периферических тканей через ЛВП, что создает обратный поток холестерина от тканей в печень. 5. Путем превращения в соли желчных кислот в печени. 6.Фермент лецитинхолестеринацилтрансфераза переносит остатки жирных кислот от лецитина на холестерин. Эта реакция не требует внешнего источника энергии, поскольку исходный и образующийся эфир энергетически почти эквивалентны. 7.Хранению глюкозы в свободном виде мешает ее осмотическое давление. Осмотическое давление раствора связано с количеством растворенного вещества. При полимеризации тысяч молекул глюкозы в единую молекулу гликогена осмотическое давление уменьшается. 8. Запасы гликогена в печени истощаются после 24-часового голодания, а запаса триглицеридов хватает на несколько недель. Триглицериды являются более мощным источником энергии, поскольку они более восстановлены и не гидратированы. Если бы энергия, содержащаяся в липидах, запасалась в виде гликогена, то масса тела была бы значительно больше. Ответы к главе 8 1.Гликолиз, цикл Кребса и электронтранспортная цепь. Эти три этапа окисления глюкозы протекают в цитоплазме, матриксе митохондрий и внутренней митохондриальной мембране соответственно. 2.AH2 + NAD+→ A+ NADH + H+ B+ NADH+ H+ → BH2 + NAD+ 3. Согласно уравнению Нернста, значение ∆Go и Eo' связаны между собой следующим образом: ∆Go = -nF∆ Eo/ где n – число перенесенных в реакции электронов; F- постоянная Фарадея (96,5 кДж·B -1·моль-1); ∆Eo/ - разность редокс-потенциалов электронодонорной и электроноакцепторной пар. В данном примере Eo/ = -1,035В(–0,219–0,816В). Поэтому ∆Go = –2(96,5 кДж·B -1·моль-1)(–1,035В)= –3(–1,035)=194,06 кДж·B -1·моль-1 4.При окислении декарбоксилируется. образуется β-кетокислота, которая легко 5.Для перекачивания протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану и генерации электрического и протонного градиента, которые используются для синтеза ATP. 6.Три и две молекулы соответственно. При фосфоролизе гликогена с использованием Pi образуется глюкозо-1-фосфат, который изомеризуется в глюкозо-6-фосфат. Для образования глюкозо-6-фосфата из глюкозы требуется затратить молекулу ATP. 7. После 2 циклов β-окисления цис-D3-еноил-CoA изомеризуется в трансD2-еноил-CoA. 8.На 1 моль стеариновой кислоты (18 атомов углерода) при ее полном окислении образуется 147 моль ATP. 9.FAD – переносчик водорода, имеющий следующее строение: циклическая структура изоаллоксазина – рибит – фосфат – фосфат – рибоза - аденин. FAD производное рибофлавина, представляющее собой простетическую группу, ковалентно прикрепленную к ферменту, и восстанавливающуюся до FADH2. рибит CH2 фосфат OH OH OH CH2 O - H3C N H3C N N O O P O NH2 O NH - N O P O O O изоаллоксазин N H 2C рибоза H N N O H H OH H OH аденин Рис.8.22 Строение FAD 10.При аэробном Образующийся NADH гликолизе глюкоза реокисляется расщепляется митохондриями. до При пирувата. анаэробном гликолизе скорость гликолиза превышает способность митохондрий к реокислению NADH. Это может происходить, например, при экстремальной ситуации («бегство» или «борьба»). Если накапливающийся NADH не будет быстро окислен, то из-за дефицита NAD+ произойдет торможение гликолиза и выработки АТР. В критической ситуации NADH реокисляется в ходе восстановления пирувата в лакгат. Пируват + NADH + H+ (Лактатдегидрогеназа)→ Лактат + NAD+ 11. CH3 CH2CH CH3 CH CONHCH2CH2CONHCH2CH2 SH NH2 OH пантотеновая кислота N O- O - O P O P O O N N H рибоза аденин O H O H фосфат N бета-меркаптоэтиламин H O HO O - O P OO CoA Рис.8.23 Строение кофермента А ∆Go гидролиза равна -31 кДж моль-1 по сравнению с 20 кДж моль-1 для эфиров карбоксильной группы; следовательно, тиоловые эфиры являются высокоэнергетическими соединениями. 12. Пируват + CoASH + NAD+ →Ацетил-S-CoA + NADH+ + H+ + CO2 ∆Go = – 33,5 кДж· моль -1. 13. Ацетильная группа поступает в цикл лимонной кислоты. 14.NAD и FADH2 реокисляются образованием Н2О и генерацией АТР. Ответы на вопросы к главе 9 электронтранспортной цепью с 1.Жирные кислоты синтезируются из двухуглеродных фрагментов, донорами которых является трехуглеродная молекула – малонил-CoA. АцетилCoA превращается в малонил-CoA путем ATP-зависимого карбоксилирования. Последующее декарбоксилирование имеет большое отрицательное значение ∆Go. Другими словами, цикл карбоксилирования-декарбоксилирования необходим, чтобы сделать добавление двух углеродных атомов к растущей цепи жирной кислоты необратимой реакций. 2.См. уравнения 9.1–9.7 3. NAD+ используется в катаболитических реакциях – он принимает электроны в процессах окисления и выработки энергии. NADP+ участвует в процессах восстановления. Существование этих двух соединений представляет собой форму метаболической компартментализации, которая облегчает независимое регулирование процессов. 4.См. уравнения 9.8–9.11 5. В синтезе фосфолипидов на основе глицерина возможны два пути. В первом из них фосфатидная кислота присоединяется к спирту типа этаноламина. Для этого спирт активируется (в синтезе фосфолипидов активированной молекулой всегда является CDP-спирт). Для синтеза некоторых фосфолипидов активируется диацилглицерин. Это происходит, опять же, путем образования комплекса CDP-диацилглицерин. Ситуация напоминает использование UDP-глюкозы во всех случаях, когда требуется активированный остаток глюкоза. Ответы к главе 10 1.Мозг не может использовать жирные кислоты, он должен получать глюкозу. Это же относится к красным клеткам крови, которые не имеют митохондрий и могут производить энергию только путем гликолиза. 2.Потому что субстратом пируваткиназы является енольная форма пирувата, а кето-енольное равновесие сильно сдвинуто в сторону образования кето- формы; следовательно, фермент не имеет субстрата. Решение этой проблемы лежит в наличии обходного метаболического пути, где на образование фосфоенолпирувата расходуется две высокоэргические фосфатные группы.(см.уравнение 10.2) 3.Фруктозо-1,6-дифосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза, катализирующие образование фруктозо-6-фосфата и глюкозо-6-фосфата соответственно. 4.Нет. Свободная глюкоза образуется только в печени. 5.Глицеринкиназа необходима для синтеза глюкозы из глицерина. Освобождение глицерина происходит при голодании, когда поддержание уровня глюкозы в крови становится жизненно важной задачей. Поскольку глюконеогенез протекает в печени, то имеет смысл транспортировать глицерин именно туда, а не метаболизировать его в жировых клетках, которые не способны высвобождать глюкозу в кровь. Ответы к главе 11 и 12 1.Окисление приводит к образованию основания Шиффа, которое гидролизуется в водной среде. 2.Глутаминовая кислота 3.Трансдезаминирование – наиболее распространенный механизм. Аминогруппа большинства аминокислот переносится на α-кетоглутарат, с образованием глутамата. Последний дезаминируется глутаматдегидрогеназой: а. аланин + α-кетоглутарат → пируват + глутамат б. глутамат + NAD+ + H2O → α-кетоглутарат + NADH + NH4+ Суммарная реакция: аланин + NAD+ + H2O → пируват + NADH + NH4+ 4.Пиридоксальфосфат. 5.Глюкогенными аминокислотами являются те, при дезаминировании которых в конечном счете образуется пируват (или фосфоенолпируват). Их превращение в пируват может включать ряд промежуточных стадий, приводящих, например, к образованию промежуточных метаболитов цикла Кребса. Из кетогенных аминокислот образуется ацетил-CoA. Только лейцин и лизин являются исключительно кетогенными, а некоторые аминокислоты, такие как фенилаланин, являются смешанными. Кетоновые тела образуются из кетогенных аминокислот только в исключительных случаях, например, при голодании. Во всех остальных случаях ацетил-CoA окисляется обычным способом. 6.См. рис.11.4 Ответы на вопросы главы 13 1.Это хлорофилл улавливающий световые фотоны. При возбуждении фотоном один из электронов молекулы хлорофилла переходит на более высокий энергетический уровень. Резонансный перенос энергии позволяет передавать это возбуждение от одной молекулы к другой, пока его не уловят молекулы реакционного центра., которые не участвуют в резонансной передаче энергии, а направляют электроны в электронтранспортную цепь. 2. N N N N Рис. 13.7 Строение корринового ядра 3. CH=CH2 R CH3 CH2CH3 NH N феофитин a R= -CH3 феофитин b R= -CH=O N HN CH3 CH2 CH2 COOCH3 O COOC20H39 (фитил) Рис.13.8 Строение феофитина Ответы на вопросы главы 14 1.Световая фаза включает расщепление воды при использовании энеогии света и восстановление NADP+ в NADPH. В ходе темновой фазы фотосинтеза NADPH используется для восстановления диоксида углерода и воды в углеводы. Термин «темновая» подразумевает, что для протекания таких реакций свет не требуется (это не значит, что они происходят только в темноте). На самом деле наиболее интенсивно темновая фаза протекает при ярком солнечном свете. 2.Хлорофилл P680*, который является реакционным центром фотосистемы II: он возбуждается при резонансеой передаче энергии от антенной молекулы хлорофилла и передает электрон феофитину – первому компоненту цепи переноса электронов фотосистемы II. P680* характеризуется сильными электроноакцепторными свойствами, т.е. является сильным окислителем 4.Фермент «Rubisco» (рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза) расщепляет рибулозо-1,5-дифосфат на две молекулы 3-фосфоглицерата; в ходе этой реакции происходит фиксация одной молекулы CO2. 5. 6 рибулозо-1,5-дифосфат 6 CO2 + 6 H2O 6 ADP 12 3-фосфоглицерат 12 ATP 12 NADPH +H 12 ADP+ 12 Pi 12 NADP 12 глицеральдегид-3-фосфат 10 молекул 2 молекулы 1 фруктозо-1,6дифосфат 6 ATP 6 рибулозо-5-фосфат запасные углеводы Рис. 14.3 Цикл Кальвина 6. запасные углеводы (крахмал) глюкозо-1-фосфат глюкозо-6-фосфат фруктозо-6-фосфат Pi H2O фруктозо-1,6-дифосфат дигидроксиацетонфосфат глицеральдегид-3-фосфат Pi NADP NADPH+H 1,3-дифосфоглицерат ADP ATP 3-фосфоглицерат Рис. 14.4 Превращение 3-фосфоглицерата в крахмал Ответы к главы 15 1. H-OH HOH2C OH N HOH2C O CH N HO HO H-OH/-H HOH2C OH OH HOH2C O CH O + HN HO HO Рис. 15.9 Гидролиз адениндезоксирибонуклеозида до до дезоксирибозы и аденина Гидролиз катализируется кислотами. 2. NH2 NH2 NH2 N N N N OH N H N H [1] O цитозин N O N N OH 2-оксипиримидин N H O Рис. 15.10 Таутомерия цитозина и 2-оксипиримидина Большую тенденцию к существованию в виде таутомера амидного типа проявляет цитозин. Этого можно ожидать, поскольку, согласно теории резонанса, амидный таутомер цитозина стабилизирован за счет вклада биполярных форм типа [1].Подобных структур для 2-оксипиримидина не имеется. 3.6-Этокси-1-(тетраацетил-D-глюкозил)пиримидин не образуется в реакции, потому что этоксигруппы уменьшают основность (нуклеофильность) азота 2,4диэтоксипиримидина. Пространственные препятствия также могут иметь существенное значение. N HOH2C O OH HO Ac OH2C HBr OH OH (CH3CO2)O C2H5O N OC2H5 Br OAc тетраацетат 1-бромглюкозы D-глюкоза Ac O OC2H5 OC2H5 N N N AcOH2C O OAc OC2H5 O OAc -C2H5Br AcOH2C O OAc Br Ac O N O NH3 -C2H5OH -4CH3COOH AcO OAc OC2H5 OAc 4-этокси-1-(тетраацетил-D-глюкозил)пиримидон-2 N HOH2C N O O OH HO OH 1-D-глюкозилцитозин Рис. 15.11 Синтез 1D-глюкозилцитозина 4. Двойная спираль ДНК должна разделиться на единичные цепи ДНК, каждая из которых выступает в качестве матрицы для дальнейшего воспроизведения двухтяжевой ДНК. Схематически это можно представить следующим образом: 14 NH4Cl-среда первое поколение 14 NH4Cl-среда второе поколение двухтяжевые и однотяжевые 15N-ДНКсоответственно двухтяжевые и однотяжевые 14N-ДНКсоответственно двухтяжевые 15N- 14N-ДНК Рис. 15.12 Характер воспроизведения ДНК Каждый тяж ДНК сохраняет свою целостность на протяжении процесса репликации. 5. Обозначим типы единиц в веществе, подобном ДНК, через X и Y. Они могут располагаться вдоль цепи в любой последовательности, например Х–X– X–Y–X–Y–Y–Y–X–X–Y–Y– и т. д. и т. д. Однако эта последовательная должна быть детерминирована для двух аминокислот (назовем их А и Б). Поскольку «буквы» должны использоваться только один раз, кодовое «слово» не может содержать больше двух «букв», т. е. оно может быть только X для одной кислоты (А) и Y–для другой (Б.) Коды X–Y для одной аминокислоты и Y–X для другой должны перекрываться, так как в участке типа А X Y А X Y X Y Б Б Рис. 15.13 Код детерминирующий включение в белок двух аминокислот код X–Y для А перекрывается с кодом Y–X для Б, Код X для А и X–Y для Б должен содержать «запятые» того или иного типа, чтобы сохранить разделение «слов». 6.Поскольку существует 24 различных способа расположения четырех различных «букв» в слове, состоящем из четырех «букв», понятно, что каждое из этих слов может кодировать свою аминокислоту. В случае такого кода серьезной проблемой будет перекрывание. Если предположить, что в коде не содержится запятых, то при движении кода вдоль –AC | ТGАC| ТGАC | ТG и – АCТG | АCТG | АCТG – организм не сможет сделать различия между ними. 7. ДНК бактериофага φХ174 – однотяжевая. Это следует из несоответствия между основаниями (А ≠ Т, G ≠ C), из температурного эффекта и чувствительности к атаке других реагентов. Если принять, что φХ174 имеет циклическую структуру, это легко объяснимо. Можно ожидать, что при такой структуре закручивание будет замедляться, а цепь – легче атаковаться реагентами и ферментами, которые атакуют не свернутую в клубок ДНК. Очевидно, что соединение циклической структуры быстрее осаждается при центрифугировании и является инфекционно активным. Как только кольцо циклической ДНК раскрывается (ферментами, разрывающими цепи ДНК), образуется более медленно осаждающаяся неактивная ДНК. 8. полиуридиловая кислота O NH2 HN N N цепь N O N N цепь полиадениловая кислота Рис.15.14 Соединение полиуридиловой кислоты с полиадениловой Очевидно, что полиуридиловая кислота является комплементарной по отношению к полиадениловой кислоте. 9. O - основание O P O O OH O H H O H H P O основание O OH H H OH H H Рис. 15.15 Строение динуклеотида 10.Генетический материал должен быть максимально химически устойчив. ДНК более устойчива, чем РНК. Это обусловлено тем, что 2'-OH -группа рибозы делает возможной нуклеофильную атаку на фосфодиэфирную связь, снижая тем самым устойчивость РНК по сравнению с ДНК. 11.Линейная структура цепи ДНК оставляла бы гидрофобные поверхности оснований обращенными в воду. За счет гидрофобных сил основания укладываются вместе, изгибая фосфодиэфирную связь. 12.В ДНК, правозакрученная, 10 пар основании. 13.У одной цепи ДНК цепочка нуклеотидов 5'→ 3' идет в одном направлении, а у другой - в противоположном. Таким образом, каждый конец линейной молекулы ДНК содержит 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой цепи. 14.Направление 5'→ 3' означает, что вы двигаетесь от концевой 5'-ОНгруппы к 3'-ОН-группе полинуклеотидной цепи. 15.Приведенная структура показывает одну цепь следующего дуплекса: 5' CATAGCCG 3' З' GTATCGGC 5' Спаривание оснований по Уотсону-Крику объясняет комплементарную последовательность. Линейную последовательность одной цепи ДНК условились записывать с 5'-концом, расположенным слева. Ответы к главе 16 1.Если бы использовались только 20 кодонов, осталось бы 44 некодирующих триплета. Любая мутация в кодирующей области гена с высокой долей вероятности вызывала бы инактивцию гена, преждевременно внедряя стоп-кодон. При использовании 61 кодона замена основания либо не вызывает изменений (из-за вырожденности генетического кода), либо приводит к замене одной аминокислоты на другую (часто похожую по структуре). Три триплета аминокислоты не кодируют и являются стоп-кодонами. 2.Последовательность оснований РНК всегда записывают так, что 5'-конец расположен слева. Когда мРНК изображается таким способом, основания антикодона тРНК должны быть приведены антипараллельно, поэтому молекулу тРНК и записывают в перевернутом виде с 5'-концом справа. 3.dATP, dGTP, dCTP и dTTP 4.Цитозин легко дезаминируется с образованием урацила; если бы урацил был нормальным компонентом ДНК, то было бы невозможно распознавать и скорректировать мутацию, так как спаривание A-U точно такое же, как и А-T. 5.Гидролиз неорганического пирофосфата; спаривание оснований нуклеотидов. 6.При облучении ДНК ультрафиолетовым светом образуются димеры тимина. Два смежных тиминовых основания связываются ковалентно. Репарация может осуществляться прямой светочувствительной системой, которая разрушает связи и восстанавливает отдельные основания. O O CH3 HN CH3 HN H N Уф-свет (260 нм) O O N H3 C O N O N H N фермент/свет 300-500 нм) O O N H3C тиминовые основания тиминовые "циклобутановые" димеры Рис. 16.13 Строение тиминового димера 7. а. Нет. Требуется праймер, ДНК-полимераза не может инициировать синтез новых цепей. б. Синтез идет в направлении 5'– 3', следовательно, новая цепь элонгируется в направлении 5'– 3', и новые нуклеотиды добавляются к свободному 3'-ОНконцу предшествующего нуклеотида.
