Материал: bioorganicheskaya-ximiya.-shpargalki

26б гидролиза и синтеза сложных эфиров), глико@ зидазы (катализируют разрыв гликозидных связей), фосфатазы, пептидгидразы и амидазы (ка@ тализируют разрыв фосфоангидридных, пептидных

иамидных связей).

4.Лиазы — ферменты, катализирующие разрыв связей C—O, C—C, C—N и других и обратимые реак@ ции негидролитического отщепления различных групп от субстратов. Реакции сопровождаются обра@ зованием двойной связи или присоединением к месту разрыва двойной связи. Систематические названия составляются по схеме: «субстрат — лиаза».

5.Изомеразы — ферменты, катализирующие гео@ метрическую и оптическую изомеризацию. Системати@ ческие названия составляются по схеме: «субстратцис@ транс@изомераза». При внутримолекулярном переносе группы фермент называется «мутаза». К этому же клас@ су относятся рацемазы и эпимеразы внутримолекуляр@ ные оксидоредуктазы и трансферазы и др.

6.Лигазы (синтетазы) — ферменты, катализи@ рующие синтез органических веществ из двух ис@ ходных молекул с использованием энергии макроэр@ га (АТФ или др.).

Список ферментов содержит для каждого фермента кодовый номер (шифр), систематическое (рациональное) название, рекомендуемое (рабо@ чее) название, химическую реакцию, катализируе@ мую им, и примечания о специфичности действия. Код каждого фермента состоит из четырех цифр, разделенных точками.

28б Сахароза (β@глюкопиранозил@(1 → 2)@β@фрук@ тофуранозид) является одним из самых расп@ ространенных дисахаридов и представляет собой

пищевой сахар.

Молекула сахарозы состоит из D@глюкозы и D@ фруктозы.

Химические свойства олигосахаридов

Мальтоза, лактоза и целлобиоза относятся к вос@ станавливающим сахарам, поскольку у них имеется свободный полуацетальный гидроксил. Наряду с мо@ носахаридами они способны вступать в качественные реакции — реакции Толленса и Троммера. Сахароза не обладает восстанавливающими свойствами, пос@ кольку при ее образовании оба моносахарида участ@ вуют своими полуацетальными гидроксилами, оксо@ форма (открытая) не образуется. При гидролизе сахарозы образуется фруктоза, дающая качествен@ ную реакцию — реакцию Селиванова.

25б 5. В многоступенчатых ферментативных си@ стемах регуляция осуществляется за счет инги@ бирования по принципу обратной связи (ретроингиби@ рования): конечный продукт биосинтетической цепи подавляет активность фермента, катализирующего первую стадию синтеза, являющуюся ключевой для

данной цепи реакции.

Для амфиболических процессов характерным ти@ пом регуляции является активация предшественником, когда первый метаболит в многоступенчатом пути ак@ тивирует фермент, катализирующий последнюю ста@ дию. Гомотропные ферменты — ферменты, для ко@ торых субстрат и модулятор имеют одинаковую структуру. Гетеротропные ферменты — ферменты, в ко@ торых субстрат и модулятор имеют разную структуру.

6. К другим регуляторным механизмам отно@ сятся регулирование абсолютного количества при@ сутствующего в клетке фермента временем его синтеза и распада, конкуренция ферментов за об@ щий субстрат, выключение активности одного из ферментов, влияние концентраций кофакторов, яв@ ление компартментализации.

Стандартная международная единица актив@ ности фермента (E или U) — то количество его, кото@ рое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 микромоля субстрата или образование 1 микромоля продукта в минуту (мкмоль/мин).

Удельная активность фермента — число единиц ферментативной активности на 1 мг белка (или число каталов на 1 кг белка).

27б Природные гексозы (глюкоза, фруктоза, манноза и сахароза) принадлежат к соединени@

ям D@ряда.

Природные моносахариды обладают оптической активностью — свойством вращать плоскость поляри@ зованного луча света. Любой моносахарид с конкрет@ ными физическими свойствами характеризуется спе@ цифической величиной удельного вращения [α].

Основные реакции моносахаридов Реакции с участием карбонильной группы ха@

рактерны для открытых форм углеводов. Окисление моносахаридов в мягких условиях приводит к обра@ зованию альдоновых кислот, в жестких условиях — аровых кислот. В организме моносахариды под действием ферментов окисляются до альдуроновых, или уроновых, кислот.

Восстановление моносахаридов идет путем их гидрирования по связи С = О, при этом они превра@ щаются в многоатомные спирты.

Реакции с участием полуацетального гид# роксила характерны для циклических форм моно@ сахаридов. При действии на моносахарид спирта, фенола или карбоновой кислоты водород полуаце@ тального гидроксила замещается на радикал с обра@ зованием O@гликозида.

Полисахариды — высокомолекулярные углево@ ды, состоящие из большого числа моносахаридных остатков, соединенных гликозидными связями и об@ разующими линейные или разветвленные молекулы. Различают линейные и разветвленные полисахари@ ды, гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды разделяют на структурные и резервные. Крахмал является резервным материа@ лом растений. Представляет собой смесь двух гомо@ полисахаридов — линейного (амилозы) и разветвлен@ ного (амилопектина). Мономерами является остатки D@глюкозы, соединенные в линейных цепях α@(1 → 4)@ связями, а в точках ветвления — α – (1 → 6)@связями.

красное

окрашивание

Целлюлоза (клетчатка) — самый распростра@ ненный структурный полисахарид животного мира. Мономерами его являются остатки глюкозы в β@пи@ ранозной форме, соединенные β@(1 → 4)@гликозид@ ными связями.

Обмен углеводов в организме человека вклю@ чает следующие процессы:

1)расщепление в желудочно@кишечном тракте посту@ пающих с пищей полисахаридов и дисахаридов до моносахаридов, всасывание моносахаридов из ки@ шечника в кровь;

2)синтез и распад гликогена в тканях;

3)анаэробное и аэробное расщепление глюкозы;

4)взаимопревращение гексоз;

5)аэробный метаболизм пирувата;

6)глюконеогенез образование углеводов из неугле@ водных продуктов аминокислот).

Расщепление глюкозы и гликогена начинается в ротовой полости под действием амилазы слюны. Амилаза слюны является α@амилазой, под ее влиянием происходят первые фазы расщепления крахмала или гликогена с образованием декстринов и небольшого количества мальтозы. Затем пища, смешанная со слю@ ной, проглатывается и перемещается в желудок, где действие амилазы прекращается из@за кислого содер@ жимого желудка (рН 1,5—2,5). Но в глубоких слоях пи@ щевого комка, где среда не такая кислая, действие амилазы некоторое время продолжается, что обеспе@ чивает расщепление полисахаридов с образованием декстринов и мальтозы. Наиболее важная фаза распа@ да крахмала и гликогена происходит в двенадцатипер@ стной кишке под действием α@амилазы поджелудочного сока, где рН примерно нейтральная, что обеспечивает максимальную активность α@амилазы.

Образующаяся мальтоза быстро гидролизуется под влиянием фермента мальтазы на две молекулы

31а 31. Распад и синтез гликогена. Гликолиз

Гликоген — депонированная форма глюкозы, высвобождает эту гексозу при участии гликоген@ фосфорилазы. Фермент катализирует фосфоролиз 1,4@гликозидной связи с высвобождением остатков глюкозы в виде Г@6@Ф.

Возможные пути превращения гликогена:

1)в мышцах, где нет Г@6@Ф фосфатазы, по основно@ му пути (аэробному или анаэробному);

2)в жировой ткани и других, где идет интенсивный восстановительный синтез, по пентозофосфатному пути (для накопления НАДФ*Н2);

3)в печени гликоген расщепляется на глюкозу и фосфат, глюкоза поступает в кровь. Синтези@ руется гликоген за счет Г@1@Ф, который, взаимо@ действуя с УТФ (уридин@три@фосфатом), образу@ ет уридиндифосфат@глюкозу, а последняя играет роль донатора остатков глюкозы, акцептором ко@ торых являются олигосахариды: УДГ@глюкоза + + (Глюкоза) n — УДФ + + (глюкоза) n + 1.

Гликолиз — анаэробный распад глюкозы, су@ ществует наряду с основным путем ее превращения, является альтернативным, способен обеспечить клетки энергией в отсутствие кислорода.

Продукт восстановления — молочная кислота. Реакцию превращения пирувата в молочную кислоту (лактат) катализирует лактатдегидрогеназа — фер@ мент, широко распространенный в клетках. При ог@ раниченном обеспечении кислородом лактатдегид@ рогеназа катализирует преимущественно реакцию восстановления, при достаточном — равновесие

32а 32. Спиртовое брожение, его сущность

Осуществляется дрожжеподобными организма@ ми, некоторыми плесневыми грибами. Суммарное изображение реакции:

С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + СО2.

Реакция спиртового брожения близка к гликолизу, некоторое расхождение после этапа образования пи@ рувата: при гликолизе пируват восстанавливается в лак@ тат с участием фермента ЛДГ и кофермента НАДН2. При спиртовом брожении этот конечный этап заменен другими ферментативными реакциями: пируватде@ карбоксилазной и алкогольдегидрогеназной. При спир@ товом брожении происходит декарбоксилирование пи@ рувата с образованием ацетальдегида при участии фермента пируватдекарбоксилазы ионов Mg, кофермен@ та тиаминпирофосфата.

Обмен фруктозы и галактозы

Фруктоза присутствует в свободном виде во многих тканях, образуется в тонком кишечнике из сахарозы,

впечени превращается по фруктозо@1@фосфатному пути. В жировой ткани фруктоза может метаболизировать

вфруктозо@6@фосфат. Основным источником галактозы является лактоза пищи, которая в пищеварительном тракте расщепляется до галактозы и глюкозы. Галактоза вступает на путь гликолиза.

30б глюкозы. Кишечный сок также содержит ак@ тивную сахарозу, под влиянием которой из са@

харозы образуются глюкоза и фруктоза.

Лактоза, которая содержится только в молоке, под действием лактазы кишечного сока расщепляет@ ся на глюкозу и галактозу.

В конечном итоге углеводы пищи распадаются на составляющие их моносахариды (преимущественно глюкозу, фруктозу, галактоза), которые всасываются кишечной стенкой и попадают в кровь. Скорость вса@ сывания отдельных моносахаридов различна. Глюкоза и галактоза всасываются быстрее, чем другие моно@ сахариды. Всасывание большинства моносахаридов происходит за счет активного транспорта. Для всасы@ вания простых углеводов необходимо присутствие ионов Na.

Свыше 90% всосавшихся моносахаридов через капилляры кишечных ворсинок попадает в крове@ носную систему и с током крови через воротную ве@ ну в печень; остальное количество моносахаридов поступает по лимфатическим путям в венозную систе@ му. В печени всосавшаяся глюкоза превращается в гликоген, использующийся для поддержания фи@ зиологической концентрации глюкозы в крови.

32б Затем следует обменная реакция, катали@ зируемая галактозо@1@фосфат@уридилтранс@

феразой:

Далее галактоза в составе УДФ под действием эпимеразы меняет конфигурацию ОН@группы при С@4, инвертируется в глюкозо@1@фосфат, освобождаясь одновременно от УДФ:

Галактозо@1@УДФ → глюкозо@1@фосфат + УДФ.

Глюконеогенез — синтез глюкозы из неуглевод@ ных предшественников: основные — пируват и лактат, промежуточные — метаболиты цикла трикарбоновых кислот, глюкогенные аминокислоты и глицерин. Ключевая точка синтеза глюкозы — превращение пирувата в фосфорнолпируват (ФЕП).

Пируват карбоксилируется пируваткарбокси@ лазой за счет энергии АТФ, реакция осуществляется в митохондриях.

пируват

Далее происходит фосфорилирующее декар@ боксилирование, катализируемое фосфорнолпиру@ ваткарбоксилазой.

Дальнейший путь образования Г@6@Ф представ@ ляет обратный путь гликолиза.

.

участок молекулы целлюлозы

При ее частичном гидролизе образуется дисаха@ рид целлобиоза, а при полном гидролизе — β@глюкоза.

Хитин — основной структурный компонент бес@ позвоночных животных (в основном членистоногих), полностью замещает целлюлозу в клеточных стен@ ках сапрофитных растений. Мономерами его являют@ ся остатки N@ацетил@D@глюкозамина, соединенные β@(1 → 4) гликозидными связями:

участок молекулы хитина

31б реакции сдвигается влево и происходит окис@ ление молочной кислоты в пируват.

В процессе гликолиза образуется АТФ. Сум@ марное уравнение гликолиза можно изобразить сле@ дующим образом:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Фн → 2СН3СН(ОН)СООН +

+ 2АТФ + 2Н2О.

Биологическое значение процесса гликолиза

прежде всего заключается в образовании богатых энер@ гией фосфорных соединений. На первых стадиях глико@ лиза затрачиваются две молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). На последующих об@ разуются четыре молекулы АТФ (фосфоглицераткиназ@ ная и пируваткиназная реакции).

Анаэробный гликолиз — источник АТФ в ин@ тенсивно работающих мышцах, когда окислительное фосфорилирование не справляется с обеспечением клетки АТФ. В эритроцитах, не имеющих митохонд@ рий, а следовательно, и ферментов цикла Кребса, потребность в АТФ удовлетворяется только за счет анаэробного распада.

Аэробный распад глюкозы — это основной путь катаболизма глюкозы.

Он включает в себя три последовательных этапа:

1)специфический этап превращений, завершаю@ щийся образованием пирувата;

2)окислительное декарбоксилирование пирувата;

3)цитратный цикл.

Первый этап включает в себя три последова@ тельные стадии:

1)изомеризацию и фосфорилирование глюкозы с об@ разованием фруктозо@1, 6@дифосфата;

2)образование из молекулы фруктозо@1, 6@дифосфа@ та двух молекул 3@фосфоглицеринового альдегида (3@ФГА);

3)окислительно@восстановительные превращения 3@ФГА до пирувата, ведущие к синтезу АТФ. На этой стадии последовательно протекает 3@ФГА с восста@ новлением НАД@дегидрогеназы, а образующийся 1,3@дифосфоглицерофосфат содержит макроэр@ гическую связь за счет энергии окисления. Далее происходит перефосфорилирование с АДФ и обра@

зование АТФ (субстратное фосфорилирование). Осуществляется дегидратация 2@фосфоглицерата. Это приводит к образованию фосфоенолпирувата с макроэргической связью, появление которой обус@ ловлено электронной перестройкой. В завершение вновь происходит реакция субстратного фосфори@ лирования — перенос макроэргического остатка фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ, в результа@ те чего образуется еще одна молекула АТФ.

Пентозофосфатный путь превращения глюкозы представлен двумя последовательными ветвями: окислительной и неокислительной.

Окислительная ветвь:

1)глюкозо@6@Ф + НАДФ → 6@фосфоглюконолактон +

+НАДФ*Н (фермент — Г@6@Ф@дегидрогеназа;

2)6@фосфоглюконолактон + Н2О → 6@фосфоглюко@ нат + Н + (фермент — лактоназа);

3)6@фосфоглюконат + НАДФ → рибозо@5@фосфат +

+СО2 + НАДФ*Н2 (фермент — 6@фосфоглюконат@ дегидрогеназа).

Неокислительная ветвь:

1)рибозо@5@фосфат → рибозо@5@фосфат (фермент — пентозо@фосфатизомераза);

2)рибозо@5@фосфат → ксилулозо@5@фосфат (фер@ мент — пентозофосфатепимераза;

3)ксилулозо@5@фосфат + рибозо@5@фосфат → седогеп@ тулозо@7@фосфат + глицеральдегин@3@фосфат (фермент@транскетолаза);

4)седогептулозо@7@фосфат + глицеральдегид@3@фос@ фат → фруктозо@6@фосфат + эритроза@4@фосфат (фермент — транскетолаза);

5)ксилулоза@5@фосфат + эритрозо@4@фосфат → фруктозо@6@фосфат + глицеральдегид@3@фосфат

(фермент — транскетолаза).

Биологическая роль пентозофосфатного пути:

1)образование НАДФ*Н2;

2)синтез рибозо@5@фосфата, который используется в реакциях синтеза РНК, ДНК, АТФ, КоА, НАД, ФАД.

35а 35. Нарушения углеводного обмена

Сахарный диабет возникает при недостаточности инсулина. Выявляются гипергликемия, глюкозурия, уменьшается содержание гликогена в печени, мышеч@ ная ткань теряет способность утилизировать глюкозу крови. В печени при общем снижении интенсивности процессов биосинтеза (белков, жирных кислот из про@ дуктов распада глюкозы) усиливается синтез фермен@ тов глюконеогенеза. Инсулин контролирует эти про@ цессы на генетическом уровне как индуктор синтеза ключевых ферментов гликолиза: гексокиназы, фос@ фофруктокиназы, пируваткиназы.

Гипергликемия может возникнуть при гипофи@ зарных заболеваниях, опухолях коркового вещества надпочечников, гиперфункции щитовидной железы, органических поражениях ЦНС, нарушениях мозгово@ го кровообращения, беременности.

Гипогликемия нередко связана с понижением функции эндокринных желез. Но особо следует оцени@ вать гипогликемию как результат введения больным диабетом больших доз инсулина.

Глюкозурия является результатом нарушения углеводного обмена при патологических изменений в поджелудочной железе (при сахарном диабете, ост@ ром панкреатите), реже глюкозурия имеет почечное происхождение и бывает связана с недостаточ@ ностью резорции глюкозы в почечных канальцах; вре@ менным явлением при некоторых острых инфекци@ онных и нервных заболеваниях, после приступов эпилепсии, сотрясения мозга, при отравлении мор@ фином; может быть стрессового и алиментарного происхождения.

36а 36. Биологическая роль и классификация липидов

Липиды — большая группа природных органиче@ ских соединений, широко распространенных среди живых организмов, характеризующихся нераствори@ мостью в воде, растворимостью в неполярных раство@ рителях (эфире, хлороформе и бензоле) и содержани@ ем высших алкильных радикалов. Они входят в состав клеточных мембран, влияют на их проницаемость, участвуют в образовании межклеточных контактов и передаче нервного импульса. Жиры являются очень эффективными источниками энергии. Липиды создают термоизоляционные покровы животных и защищают органы и ткани от механических повреждений.

Классификация липидов основана на их струк@ турных особенностях. Различают следующие классы липидов.

1.Простые липиды — сложные эфиры жирных кислот и различных спиртов:

1)глицериды (ацилглицериды или ацилглицеролы по международной номенклатуре) — сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот;

2)воски — сложные эфиры высших жирных кислот

иодно@ или двухатомных спиртов.

2.Сложные липиды — сложные эфиры жирных кислот и спиртов, содержащие дополнительные груп@ пы, такие как:

1)фосфолипиды — липиды, содержащие остаток фос@ форной кислоты. Часто они содержат азотистые осно@ вания и другие компоненты. Различают глицерофос@ фолипиды и сфинголипиды;

2)гликолипиды (гликосфинголипиды);

1) инсулин обеспечивает поступление глюкозы

вклетки, активируя транспорт через клеточные мембраны и ускоряя ее окислительный распад (активацию фосфогексокиназы, ферментов цик@ ла Кребса), ускоряет гликогенообразование

впечени и мышечной ткани, синтез липидов из продуктов распада сахаров и синтез аминокис@ лот, тормозит гликогенолиз, липолиз и глюконео@ генез;

2)панкреатический глюкагон ускоряет гликогенолиз, глюконеогенез в печени, ограничивает актива@ цию гликогенсинтетазы инсулином, активирует процессы, ведущие к увеличению содержания глюкозы в крови, тормозит синтез белка, ускоря@ ет протеолиз, уменьшает использование глюко@ зы в синтезе аминокислот;

3)глюкокортикостероиды ускоряют глюконеогенез, индуцируя образование ферментов, катализиру@ ющих процесс, активируют гликогенолиз, спосо@ бствуют гипергликемии;

4)адреналин активирует гликогенолиз;

5)соматотропный гормон стимулирует секрецию глюкагона и инсулина, что ускоряет выход в кровь глюкозы и приводит к ее депонированию в виде гликогена.

36б 3) сдероиды; 4) другие сложные липиды (сульфолипиды,

аминолипиды, липопротеины и др).

3. Предшественники и производные липидов — жирные кислоты, глицерол, стеролы и другие спир@ ты, альдегиды жирных кислот, углеводороды, жиро@ растворимые витамины и гормоны.

Жирные кислоты — алифатические карбоновые кислоты. Они могут находиться в организме в свобод@ ном состоянии либо входить в состав липидов.

В тканях человека и животных присутствует около 70 разных жирных кислот, практическое значение име@ ют немногим более 20 из них. Все они содержат четное число углеродных атомов, преимущественно от 12 до 24, преобладают кислоты, имеющие 16 и 18 углерод@ ных атомов. Около 3/4 всех жирных кислот являются непредельными (ненасыщенными) — содержат двой@ ные связи. Физиологически важные насыщенные жир@ ные кислоты — капроновая (С6), каприловая (С8), кап@ риновая (С10), лауриновая (С12), миристиновая (С14), пальмитиновая (С16), стеариновая (С18), арахиновая (С20), бегеновая (С22) и лигноцериновая (С24).

Физиологически важные ненасыщенные жирные кислоты — пальмитиновая (16: 1; 9), олеиновая (18: 1; 9), эруковая (22: 1; 13), линолевая (18: 2; 9, 12), линоле@ новая (18: 3; 9, 12, 15), арахидоновая (20: 4; 5, 8, 11, 14) и клупанодоновая (22: 5; 7, 10, 13, 16, 19).

33б Второй этап — окислительное декарбокси@ лирование пирувата — многостадийный про@ цесс. Он катализируется сложным комплексом, вклю@

чающим пируватдекарбоксилазу, ацетилтрансферазу и дегидрогеназу дигидролипоевой кислоты. Также участвуют пять коферментов: НАД, ФАД, тиаминди@ фосфат (ТДФ), липоевая кислота (ЛК) и кофермент А (КоА).

Выделяют три реакции, ведущие к образованию ацетил@КоА:

1)декарбоксилирование пирувата (катализатор — пи@ руватдегидрогеназа, кофермент — ТДФ).

В реакции участвует кофермент ТДФ, который превращается в оксиэтил@ТДФ;

2)окисление оксиэтила до ацетата и перенос ацети@ ла на КоА (катализатор — ацетилтрансфераза). Кофермент — окисленная форма ЛК — принимает оксиэтил от ТДФ на один из атомов серы.

Это окисление сопровождается появлением мак@ роэргической связи. Далее ацетиллипоевая кисло@ та взаимодействует с КоА@Н и ацетил переносится на КоА с образованием ацетил@КоА;

3)окисление дегидролипоевой кислоты дегидроге@

назой дигидролипоевой кислоты.

Третий этап — цитратный цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, в который включается ацетил@ КоА и щавелево@уксусная кислота, образуя лимонную кислоту, которая в результате ряда превращений пре@ образуется в щавелево@уксусную кислоту.

35б Первичное нарушение всасывания глюко@ зы и галактозы проявляется профузной диареей, дегидратацией, ацидозом и гипогликемией. Прием

раствора фруктозы ликвидирует признаки диареи.

Врожденная недостаточность лактазы приво@ дит к непереносимости этого дисахарида и проявля@ ется устойчивой диареей и гипотрофией.

Недостаточность сахаразы#изомальтазы про@ является диареей, раздражительностью, отставанием в росте, что появляется после добавления в пищу сахарозы или крахмала.

О непереносимости лактозы свидетель@ ствуют диарея, рвота, ацидоз, лактозурия, протеину@ рия. Заболевание связано не с дефицитом фермента, а с токсичностью лактозы для организма больного.

Галактоземия — результат дефицита галакто@ киназы, проявляется ухудшением зрения за счет об@ разования катаракты; в моче определяются галак@ тоза и сахарный спирт, в который превращается галактоза.

Эссенциальная фруктозурия обусловлена не@ достаточностью фосфофруктокиназы, которая ката@ лизирует превращение фруктозы в фруктозо@1@фос@ фат. Клинические проявления отсутствуют.

Наследственная непереносимость фруктозы

связана с дефицитом фруктозо@1@фосфатальдолазы, обеспечивающей включение фруктозы в основной путь превращения глюкозы.