Изобразите никотинамидадениндинуклеотид (структурная формула) и обозначьте все компоненты, входящие в его состав. Назовите химическую природу соединения. Запишите реакции восстановления НАД+ и окисления НАДН (с формулами). Объясните роль НАД в организме.
Динуклеотид, состоящий из аденина (1), амида никотиновой кислоты (2), двух остатков рибозы (3) и двух остатков фосфорной кислоты (4), конфермент некоторых дегидрогеназ, обнаруженных во всех живых клетках, функционирующих на начальных этапах окисления белков, жиров и углеводов.
окисленная форма восстановленная форма
НАД+ НАДН
Классификация углеводов. Назовите наиболее часто встречающиеся в организме дисахариды и трисахариды, в состав которых входит глюкоза, объяснив, к какому классу углеводов они относятся. Напишите реакции синтеза и гидролиза сахарозы, образования мальтозы при расщеплении крахмала и ее дальнейший гидролиз (с формулами и ферментами). Объясните какие из перечисленных реакций являются реакциями катаболизма, а какие – реакциями анаболизма.
Дисахариды:
Лактоза (олигосахарид)
Сахароза (олигосахарид)
Мальтоза (олигосахарид)
Трисахариды:
Рафиноза (олигосахарид)
Мелицитоза (олигосахарид)
Генцианоза (олигосахарид)
Синтез сахарозы (реакции анаболизма):
При нагревании растворов сахарозы в кислой среде или под действием фермента b-фруктофуранозидазы она гидролизуется, образуя смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, которая называется инвертным сахаро: (реакция катаболизма)
Гидролиз крахмала(реакция катаболизма):
альфа-мальтоза бета-мальтоза
Расщепление мальтозы в присутствие фермента мальтазы (реакция катаболизма):
Запишите пептид глу-лей-про-сер-ала, учитывая, что ала находится на N-конце молекулы. Правильно сориентируйте кислород (С=О) и водород ( N-Н) относительно пептидных связей. Дайте объяснение. Определите к какой группе аминокислот по природе радикала относятся глу, лей, про. Возможен ли вторичный уровень организации для пептида такого размера? Объясните.
В нативных белках и пептидах преобладает транс-пептидная свяль. Данная конфигурация конформационно выгодна.
Глутаминовая кислота – алифатическая аминокислота
Лейцин – алифатическая аминокислота
Пролин – гетероциклическая иминокислота
Перечисленные аминокислоты относят к протеиногенным аминокислотам.
Вторичная структура образуется только при участии водородных связей между пептидными группами: атом кислорода одной группы реагирует с атомом водорода второй, одновременно кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т. д.
Формированию спирали препятствуют пролин и гидроксипролин, которые из-за своей структуры обуславливают "перелом" цепи, ее резкий изгиб.
В нашем пептиде имеет элемент с пролином, поэтому вторичная уровень организации затруднен.
Ферменты, особенности ферментативного катализа. Охарактеризуйте класс оксидоредуктаз. Приведите примеры реакций, катализируемых оксидоредуктазами, их изучаемых биохимических путей. Обоснуйте.
ФЕРМЕНТЫ - белки, выполняющие роль катализаторов в живых организмах. Основные функции ферментов - ускорять превращение веществ, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его энергией и др.), а также регулировать биохимимические процессы (напр., реализацию генетической информации), в т. ч. в ответ на изменяющиеся условия.
В 1902 г. Генри выдвинул предположение, что действие ферментов заключается в образовании комплекса с молекулой субстрата, которое представляет собой обратимый процесс. Комплекс фермент-субстрат соответствует промежуточному соединению или переходному состоянию в теории промежуточных соединений. Затем этот комплекс распадается и регенерирует фермент. Этот процесс описывается уравнением
E + S = ES = E + P
где E-фермент, S-субстрат, ES-комплекс, a P-продукт реакции. Это уравнение впервые предложили Михаэлис и Ментен в 1913 г., и поэтому оно получило название уравнения Михаэлиса - Мептен.
Согласно существующим воззрениям, молекула субстрата связывается с областью на поверхности фермента, которая называется активным центром. Активность этого центра повышается в присутствии витаминов и некоторых минеральных веществ. За активность ферментов особенно ответственны различные микроэлементы, в частности d-переходные металлы, как, например, медь, марганец, железо и никель.
Активность некоторых ферментов очень зависит от наличия коферментов. Коферментами являются относительно небольшие органические молекулы, которые связываются с активными центрами фермента. Роль таких коферментов часто выполняют витамины группы В. На рисунке схематически изображен принцип действия кофермента.
ферментом и коферментом. После завершения реакции продукты отделяются от фермента, освобождая его для связывания со следующей молекулой субстрата.
Теория промежуточных соединений (переходного состояния):
В механизме ферментативного катализа решающее значение имеет образование нестойких промежуточных соединений - фермент-субстратный комплекс ES, подвергающийся превращению в нестабильный переходный комплекс ЕР, который почти мгновенно распадается на свободный фермент и продукт реакции.
Рисунок: Энергетический механизм ферментативной и неферментативной химических реакций.
S - исходный субстрат; Р - продукт; ДЕНФ - энергия активации неферментативной реакции; ДЕФ - энергия активации ферментативной реакции; ДG - стандартное изменение свободной энергии.
В каталитическом процессе существенное значение имеют точное соответствие между ферментом и субстратом, а также термодинамические и каталитические преимущества подобного соответствия. Гипотеза «индуцированного соответствия» предполагает существование между ферментом и субстратом не только пространственной или геометрической комплементарности, но и электростатического соответствия, обусловленного спариванием противоположно заряженных групп субстрата и активного центра фермента. Точное соответствие обеспечивает образование эффективного комплекса между субстратом и ферментом.
Подобно другим катализаторам, ферменты, с термодинамической точки зрения, ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации.
Оксидоредуктазы.
К классу оксидоредуктаз относят ферменты, катализирующие с участием двух субстратов окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления. Систематические названия их составляют по форме ≪донор: акцептор оксидоредуктаза≫.
Например, лактат: НАД+ оксидоредуктаза для лактатдегидрогеназы
(ЛДГ).
Различают следующие основные оксидоредуктазы: аэробные дегидро-
геназы или оксидазы, катализирующие перенос протонов (электронов)
непосредственно на кислород; анаэробные дегидрогеназы, ускоряющие
перенос протонов (электронов) на промежуточный субстрат, но не на
кислород; цитохромы, катализирующие перенос только электронов. К это-
му классу относят также гемсодержащие ферменты каталазу и пероксидазу,
катализирующие реакции с участием перекиси водорода.
пример:
пример реакции:
Характеристика фермента
Систематическое название | Алкоголь:НАД-оксидоредуктаза |
Рабочее название | Алкогольдегидрогеназа |
Класс | 1. Оксидоредуктазы |
Подкласс | 1.1. Действующие на СН-ОН-группу доноров |
Подподкласс | 1.1.1. с НАД+ или НАДФ+ в качестве акцептора |
Кофакторы | Никотинамидадениндинуклеотид. Железо или цинк. |
5. Липиды, их классификация. Фосфолипиды, состав, строение, функции в организме.
ЛИПИДЫ - жироподобные вещества, входящие в состав всех живых клеток. Определение понятия липидов неоднозначно. Иногда к липидам относят любые природные вещества, извлекаемые из организмов, тканей или клеток такими неполярными органическими растворителями, как хлороформ, диэтиловый эфир или бензол. В некоторых случаях липиды рассматривают как производные жирных кислотт и родственных им соединенй или как любые природные амфифильные веществава (их молекулы содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группировки). Ни одно из этих определений не является исчерпывающим.
Структура.
Наиболее распространенные типы липидов - глицеролипиды и производные сфингозина. В нейтральных глицеролипидах гидроксильные группы глицерина замещены остатками жирных кислот, алифатических спиртов или альдегидов. В полярных глицеролипидах две гидроксильные группы глицерина замещены чаще всего жирными кислотами, а третья связана либо с остатком ортофосфорной кислоты (свободной или этерифицированной холимом, этаноламином, серином, глицерином или миоинозитом), либо с остатками сахаров, как у гликозиллиглицеридов.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИПИДОВ
Существует несколько классификаций липидов. Наибольшее распространение получила классификация, основанная на структурных особенностяхлипидов. По этой классификации различают следующие основные классы липидов
A. Простые липиды: сложные эфиры жирных кислот с различными спиртами.
1. Глицериды (ацилглицерины, или ацилглицеролы – по международной
номенклатуре) представляют собой сложные эфиры трехатомного
спирта глицерина и высших жирных кислот.
2. Воска: сложные эфиры высших жирных кислот и одноатомных или
двухатомных спиртов.
Б. Сложные липиды: сложные эфиры жирных кислот со спиртами, до-
полнительно содержащие и другие группы.
1. Фосфолипиды: липиды, содержащие, помимо жирных кислот и спир-
та, остаток фосфорной кислоты. В их состав часто входят азотистые
основания и другие компоненты:
а) глицерофосфолипиды (в роли спирта выступает глицерол);
б) сфинголипиды (в роли спирта – сфингозин).
2. Гликолипиды (гликосфинголипиды).
3. Стероиды.
4. Другие сложные липиды: сульфолипиды, аминолипиды. К этому
классу можно отнести и липопротеины.
B. Предшественники и производные липидов: жирные кислоты, глицерол, стеролы и прочие спирты (помимо глицерола и стеролов), альдегиды жирных кислот, углеводороды, жирорастворимые витамины
и гормоны.
Фосфолипиды, гликолипиды и стерины - структурные компоненты биологических мембран; оказывают влияние на множество мембранных процессов, в т. ч. на транспорт ионов и метаболитов, активность мембраносвязанных
ферментов, межклеточные взаимод. и рецепцию.
6. Гликолиз. Реакции гликолиза (с формулами и ферментами), энергетический баланс. Запишите возможные пути дальнейшего метаболизма пировиноградной кислоты у растений, животных, грибов, бактерий. Значение гликолиза для организма.
Гликолиз – это последовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению гликозы в пируват с одновременным образованием АТФ.
Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование глюкозы, т.е. перенос остатка фосфорной кислоты на глюкозу за счет энергии АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. Реакция катализируется ферментом гексокиназой. Киназами называются ферменты, катализирующие перенос остатка фосфорной кислоты от АТФ к акцептору.
Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат (изомеризация альдозы в кетозу):
Эта реакция протекает легко в обоих направлениях.
Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:
Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.
Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бифосфат расщепляется на две фосфотриозы:
Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. При повышении температуры peакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (дигидроксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата (фосфоглицериновый альдегид)).
Пятая реакция - это реакция изомеризации триозофосфатов. Kaтализируется ферментом
триозофосфатизомеразой:
Дальнейшим превращениям будет подвергаться только глицеральдегид-3-фосфат.
В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается окислению с образованием 1,3- бифосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАДН. С данной реакции начинается второй этап гликолиза.
Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериноой кислоты (3-фосфоглицерат):
Это первая реакция гликолиза, в которой происходит образование АТФ (пример субстратного фосфорилирования).
Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат):
Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:
Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстатное фосфолирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:
Поскольку при распаде одной молекулы глюкозы образуются две молекулы ФГА, то все реакции повторяются дважды. Таким образом, суммарное уравнение гликолиза. В результате процесса гликолиза образуются четыре молекулы АТФ, однако две из них покрывают расход на первоначальное активирование субстрата. Следовательно, накапливаются две молекулы АТФ.
В результате гликолиза образуется : 2 молекулы АТФ и 2 молекулы NADH, из которых в дыхательной цепи синтезируется 6 молекул АТФ (итого - 8 молекул АТФ).
Возможны 2 пути метаболизма пирувата: аэробный и анаэробный
Если кислорода недостаточно, пировиноградная кислота подвергается анаэробному расщеплению с образованием молочной кислоты у животных и этанола у растений и грибов.
При анаэробном дыхании в клетках пируват, полученный при гликолизе, преобразуется в лактат при помощи фермента лактатдегидрогеназы и NADP в процессе лактатной ферментации, либо вацетальдегид и затем в этанол в процессе алкогольной ферментации
В условиях достаточного поступления кислорода, пировиноградная кислота превращается в ацетилкофермент А, являющийся основным субстратом для серии реакций, известных как цикл Кребса, или дыхательный цикл, цикл трикарбоновых кислот. Пируват также может быть превращён в анаплеротической реакции в оксалоацетат. Оксалоацетат затем окисляется до углекислого газа и воды.
Гликолиз — один из древнейших метаболических процессов, известный почти у всех живых организмов. Предположительно гликолиз появился более 3,5 млрд лет назад у первичных прокариотов.
Гликолиз — катаболический путь исключительной важности. Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка. Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров. Пируват также может быть использован для синтеза аланина, аспартата и других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках
