Задание к занятию №16
Тема: Понятие о метаболизме. Типовые метаболические реакции.
Цель: Закрепить знания о строении и свойствах веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности, необходимые для дальнейшего изучения биологической химии, фармакологии.
Сделайте запись в рабочей тетради по плану:
- Дата Номер занятия Тема занятия Основные вопросы темы – это учебные вопросы занятия
Учебные вопросы занятия:
1.Общий обзор метаболизма:
1.1. Функции метаболизма, метаболические пути и фазы метаболизма: катаболическая и анаболическая.
1.2. Общий обзор стадий катаболических превращений, приводящих к концентрации, сужению путей:
- гидролиз и расщепление больших молекул на мономеры в ЖКТ
- внутриклеточный катаболизм до пирувата и ацетилкофермента А.
- цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) – универсальный энергетический «котел».
1.3. Стадии анаболизма, приводящие к расхождению метаболических путей.
1.4. Энергетические взаимосвязи между катаболическими и анаболическими путями.
2. Типовые метаболические реакции:
2.1. Гидролиз, виды гидролиза, ферменты гидролиза: пептидазы, эстеразы, глюкозидазы.
2.2. Схемы ступенчатого гидролиза белков, крахмала, липидов (нейтральных жиров, фосфолипидов).
2.3. Реакции окисления – восстановления (синоним: дегидрирования-гидрирования) в присутствии НАД-зависимых и ФАД-зависимых дегидрогеназ, гидридный перенос.
значение витамина В2.
2.4. Реакции декарбоксилирования, карбоксилирования, значение биотина.
2.5. Реакции и ферменты дезаминирования, трансаминирования, восстановительного аминирования.
2.6. Реакции гидратация и дегидратации.
2.7.реакции этерификации.
2.8. Конденсация молекул.
3. Значение цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса).
3.1. Использование конечных продуктов CO2, NH3, H2O.
Общий обзор метаболизма. Типовые метаболические реакции
биологически активных соединений; ферменты и коферменты
химических процессов
Данная тема разработана как заключительный этап изучения биоорганической химии, в качестве перехода к изучению следующего предмета – биологической химии, основной целью которой является познание химических превращений, лежащих в основе функционирования клеток, органов, тканей и целостного организма. Овчинников очень образно сказал, что «живая клетка – настоящее царство больших и малых молекул, непрерывно взаимодействующих, возникающих и исчезающих». Всю совокупность этих реакций мы называем обменом веществ или метаболизмом, который направлен на сохранение и воспроизведение живых систем.
Метаболизм выполняет четыре специфические функции:
1. Снабжение химической энергией, которая добывается путем расщепления богатых энергией пищевых веществ, поступивших в организм из окружающей среды.
2. Превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые используются в дальнейшем клеткой для построения макромолекул, специфических для данного организма.
3. Сборка белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и прочих клеточных компонентов из этих строительных блоков, т. е. внутриклеточный биосинтез биополимеров, специфических для данного организма.
4. Синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения каких-либо специфических функций данной клетки (m-РНК, гормоны, медиаторы и др.).
Различают две фазы метаболизма – катаболическую и анаболическую. Катаболизм – это фаза, в которой происходит расщепление сложных органических молекул через стадию универсальных метаболитов до простых конечных продуктов: СО2, Н2О, NH3 и др. При этом высвобождается энергия, которая в виде тепловой идет частично на поддержание температуры тела, другая – химическая образуется в форме высокоэнергетических соединений, универсальным из которых является АТФ. Итак, катаболизм – путь распада от сложного к простому с высвобождением энергии.
Анаболизм – это фаза, в которой происходит постепенный синтетический процесс образования из простых малых молекул большого количества сложных веществ, специфических для данного организма, т. е. анаболизм – это путь от простого к сложному, требующий затраты энергии.
Катаболические и анаболические процессы энергетически взаимосвязаны, протекают в клетках одновременно, однако их скорости регулируются независимо. Катаболические пути поставляют химическую энергию в формах АТФ, НАД•Н2, ФАД•Н2, которая используется на анаболических путях для биосинтеза макромолекул из небольших молекул – предшественников.
Метаболизм представляет собой высококоординированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием многих взаимосвязанных ферментных систем.
Метаболические реакции
1. Реакции декарбоксилирования – это реакции отщепления СО2 от карбоксильной группы карбоновых кислот, гидроксикислот, аминокислот, кетокислот и др., идущие с участием ферментов декарбоксилаз.
2. Реакции карбоксилирования – это реакции присоединения СО2 к молекулам с целью удлинения углеродной цепи при участии ферментов карбоксилаз.
Активная форма СО2 в организме образуется с помощью биотин-фермента (см. стр. 108). В качестве примера можно привести карбоксилирование ацетилкоэнзима А с образованием малонилкоэнзима А, что имеет место в процессе синтеза высших жирных кислот в организме.
3. Реакции дезаминирования – это реакции отщепления аминогруппы в виде аммиака от аминокислот, биогенных аминов. В организмах животных наиболее распространены два вида дезаминирования: окислительное и дезаминирование путем переаминирования (трансаминирование).
а) Окислительное дезаминирование происходит в две стадии и идет при участии сложных ферментов дегидрогеназ, коферментом которых является НАД+. В результате образуется кетокислота и аммиак (2 стадии):
б) Трансаминирование (переаминирование) – это реакции обмена функциональными группами между аминокислотами и кетокислотами (б-кетоглутаровой или щавелевоуксусной) с образованием новых амино - и кетокислот. Это один из путей синтеза заменимых аминокислот. В организме этот процесс происходит при участии сложных ферментов трансаминаз в состав кофермента которых входит витамин В6 в виде фосфопиридоксаля (ФП). Именно ФП является переносчиком аминогруппы. Частным случаем этого типа реакций является трансаминирование аланина с щавелевоуксусной кислотой (ЩУК):
4. Реакции восстановительного аминирования – реакции обратные окислительному дезаминированию, заключаются в синтезе заменимых аминокислот из б-кетокислот путем присоединения водорода и аммиака. Эти реакции идут в 2 этапа: присоединение аммиака к кетокислотам с образованием иминокислоты и затем присоединение водорода к иминокислоте с образованием новой аминокислоты:
Реакции окисления-восстановления
Реакции окисления осуществляются в организме путем отнятия водорода (дегидрирования) от субстрата, который окисляется системой никотинамидадениндинуклеотида (НАД+) – кофермента дегидрогеназ, присоединяющего эти водороды к себе → НАД•Н2 (восстанавливается); или ФАД (флавинадениндинуклеотид) → ФАД•Н2
Реакции восстановления (гидрирования) – это реакции присоединения водорода к субстрату от системы НАД•Н2 с образованием восстановленного субстрата (реакции обратные реакциям окисления):
6. Реакции этерификации – это реакции образования сложных эфиров, лежат в основе синтеза омыляемых липидов (нейтральных жиров, фосфолипидов), образования фосфорных эфиров моносахаридов, фосфоролитического расщепления гликогена, образования тиоэфиров карбоновых кислот и др.
а) Синтез жира:
В результате реакции этерификации при взаимодействии глицерина и стеариновой кислоты образуется тристеарат глицерина (сложный эфир)
б) Фосфорилирование глюкозы:
в) Фосфоролитический распад гликогена:
г) Этерификация с коэнзимом А (НSКoА) приводит к образованию активных форм карбоновых кислот:
7. Реакции гидролиза – это реакции расщепления сложных веществ (полипептидов, полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот, мононуклеотидов, нуклеозидов и др.) на более простые составляющие компоненты с помощью воды. В зависимости от условий гидролиз может быть кислотным, щелочным, ферментативным.
In vivo гидролиз осуществляется ферментами, общее название которых гидролазы. Они классифицируются в зависимости от связей, которые они расщепляют:
1) пептидазы катализируют гидролиз пептидных связей в белках, пептидах;
2) гликозидазы катализируют гидролиз – О-гликозидных связей в ди - и полисахаридах; – N-гликозидных связей в нуклеиновых кислотах;
3) эстеразы катализируют расщепление сложноэфирных связей в триглицеридах, фосфолипидах и др.
Процесс гидролиза сложных веществ происходит ступенчато, требует времени, осуществляется в организме, как под действием протолитических ферментов в ЖКТ, где сложные питательные вещества теряют свою специфичность, так и внутри клеток при участии клеточных гидролаз, локализованных в лизосомах при рН = 5.
8. Реакции гидратации – это реакции присоединения воды к молекуле, чаще всего по кратным связям, без расщепления вещества.
9. Реакция дегидратации – это реакции отщепления молекулы воды от органического соединения (обратные реакциям гидратации)
Далее в качестве примера приводятся поэтапные метаболические реакции превращения пировиноградной кислоты (ПВК) до пропионил-КоА
Схема метаболических превращений ПВК
(пировиноградной кислоты):
Химизм метаболических реакций превращения ПВК
Рекомендованная литература:
1. , . Биологическая химия. Учебник для студентов медвузов, М., Медицина, 2008.
2. , . Биологическая химия. Учебное пособие г. Ставрополь, 2008.
3. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии под ред. . М. Медицина, 2009.
4. Лекционный материал.
Дополнительная литература:
1. Общая химия. Учебник для медицинских вузов. (, ), М, ГЭОТАР Медиа, 2007.
2. Химия. Основы химии живого. Учебник для студентов высших учебных заведений. (), Санкт-Петербург, Химиздат, 2000.
3. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы интернет-ресурсов.
Задания для самоконтроля
Напишите, согласно схемам, метаболические реакции превращения следующих соединений:
