Онкотическое давление

Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи (набор пространственных координат составляющих белок атомов). Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. В стабилизации третичной структуры принимают участие:

• ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики);
• ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;
• водородные связи;
• гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула «стремится» свернуться так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

Четвертичная структура (или субъединичная, доменная) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.

Классификация белков. В состав многих белков помимо пептидных цепей входят и неаминокислотные фрагменты, по этому критерию белки делят на две большие группы — простые и сложные белки (протеиды). Простые белки содержат только аминокислотные цепи, сложные белки содержат также неаминокислотные фрагменты. Эти фрагменты небелковой природы в составе сложных белков называются «простетическими группами».

Протеины, или простые  белки. Протеины делятся на несколько подгрупп, отличающихся преимущественно по растворимости. Альбумины – белки, растворимые в дистиллированной воде; не осаждаются насыщенным раствором хлористого натрия, но осаждаются при насыщении раствором сернокислым аммонием. Свертываются при нагревании. Наиболее распространенные представители – альбумины молока, яйца, сыворотки крови, простые или однокомпонентные белки – ферменты. Глобулины – белки, нерастворимые в дистиллированной вод, но растворимые в разбавленных солевых растворах, осаждаются в полунасыщенном растворе сернокислого аммония. Свертываются при нагревании. При гидролизе образуют большое количество пролина и глютаминовой кислоты. Широко распространенными представителями являются глобулины сыворотки крови, молока, яйца, мышц. Проламины – белки, растворимые в 70-80% винном спирте, нерастворимые в воде и безводном спирте. Не свертываются при кипячении. Найдены во всех без исключения злаках: глиадин – в семенах пшеницы и ржи, гордеин – в семенах ячменя, зеин – в семенах кукурузы. Глютелины -  растительные белки, нерастворимые в нейтральных солевых растворах, в этиловом спирте, 0,2% растворе щелочей. Наиболее изучен глютенин пшеницы. Гистоны – белки с выраженными основными свойсвами, содержащие от 10 до 30% диаминомонокарбоновых кислот – лизина, аргинина и гетероциклическую аминокислоту – гистидин; растворимы в воде и разбавленных кислотах, но нерастворимы в разбавленных щелочах. Входят в состав сложных белков животного происхождения – гемоглобин эритроцитов, белки зобной железы. Протамины – белки. По сравнению с гистонами у них явно выраженные основные свойства, низкая молекулярная масса, состоят на 2/3 из остатков аргинина. Хорошо растворимы в воде, разбавленных кислотах, щелочах. Не свертываются при нагревании. Протамины встречаются преимущественно в сперме и в икре рыб в составе сложных белков – нуклеопротеидов. В протаминах отсутствует тирозин, триптофан, цистеин и метионин. Протеиноиды, или склеропротеиды, объединяют коллагены и кератины. Коллагены представляют собой фибриллярные белки соединительной ткани и включают белки сухожилий, хрящей, костей, дентина, связок, фасций и других соединительнотканных образований. Кератины синтезируются в клетках эпидермиса и включают белки волос, шерсти, рогов, ногтей и других продуктов эктодермальных клеток. Многие коллагены растворяются разбавленными растворами уксусной и лимонной кислот. В коже коллаген находится в дерме, а кератин в эпидермисе. Коллаген богат глицин, пролином и является почти единственным белком, содержащим большое количество оксипролина; коллаген не содержит цистина, цистеина и триптофана, а тирозин и метионин присутствуют в нем в незначительных количествах. При продолжительном нагревании коллагена с водой он становится растворимым и превращается в желатин. Кератин отличается высоким содержанием цистеиновых остатков. Фиброин - нерастворимый структурный белок натурального шелка, состоит из четырех аминокислот – глицина, аланина, серина и лейцина. Эластин – структурный белок, входит в состав соединительной ткани связок и сухожилий. Это объясняется большим содержанием неполярных аминокислот – глицина, пролина, лейцина.

 В зависимости от химической  природы простетических групп  среди сложных белков выделяют  следующие классы. Гликопротеиды, содержащие в качестве простетической группы ковалентно связанные углеводные остатки и их подкласс — протеогликаны, с мукополисахаридными простетическими группами. В образовании связи с углеводными остатками обычно участвуют гидроксильные группы серина или треонина. Большая часть внеклеточных белков, в частности, иммуноглобулины — гликопротеиды. В протеогликанах углеводная часть составляет ~95 %, они являются основным компонентом межклеточного матрикса. Липопротеиды, содержащие в качестве простетической части нековалентно связанные липиды. Липопротеиды, образованные белками-аполипопротеинами связывающимися с ними липидами и выполняют функцию транспорта липидов. Металлопротеиды, содержащие негемовые координационно связанные ионы металлов. Среди металлопротеидов есть белки, выполняющие депонирующие и транспортные функции (например, железосодержащие ферритин и трансферрин) и ферменты (например, цинксодержащая карбоангидраза и различные супероксиддисмутазы, содержащие в качестве активных центров ионы меди, марганца, железа и других металлов). Нуклеопротеиды, содержащие нековалентно связанные ДНК или РНК, в частности, хроматин, из которого состоят хромосомы, является нуклеопротеидом. В зависимости от типа нуклеиновой кислоты различают рибонуклеопротеиды и дезоксирибонуклеопротеиды. Дезоксирибонуклеопротеиды легко выделить из тканей, богатых ядерным веществом, например, из зобной железы, селезенки, сперматозоидов, ядерных эритроцитов птиц. Рибонуклеопротеиды являются составной частью цитоплазмы клеток и принимают участие в формировании ряда важнейших биологических структур и в первую очередь структур системы биосинтеза белков. Фосфопротеиды, содержащие в качестве простетической группы ковалентно связанные остатки фосфорной кислоты. В образовании сложноэфирной связи с фосфатом участвуют гидроксильные группы серина или треонина, фосфопротеинами являются, в частности, казеин молока. Хромопротеиды — собирательное название сложных белков с окрашенными простетическими группами различной химической природы. К ним относится множество белков с металлсодержащей порфириновой простетической группой, выполняющие разнообразные функции — гемопротеины (белки, содержащие в качестве простетической группы гем — гемоглобин, цитохромы и др.), хлорофиллы; флавопротеиды с флавиновой группой, и др.

Уравнение реакции получения  дипептида из валина и серина.

+                   

валин серин

H₂N-CH-CO-NH-CH-COOH + H₂O

         CH               CH₂

H₃C      CH₃          OH

Задание 5

Цикл трикарбоновых  кислот и его биологическое значение напишите уравнение реакции образования  лимонной кислоты из щавелево-уксусной кислоты и ацетил-КоА.

Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (цикл Кре́бса, цитра́тный цикл) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до CO₂. При этом освобождённый водород направляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии — АТФ.

Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год).

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, причём катализирующие их ферменты, кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе, исключение составляет сукцинатдегидрогеназа, которая локализуется на внутренней митохондриальной мембране, встраиваясь в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.

Стадии цикла Кребса

Общее уравнение одного оборота  цикла Кребса:

Ацетил-КоА → 2CO₂ + КоА + 8e⁻

Регуляция цикла

Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится. Регуляция осуществляется и при помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса.

Как правило работа цикла Кребса не прерывается за счёт анаплеротических реакций, которые пополняют цикл субстратами: Пируват + СО₂ + АТФ = Оксалоацетат(субстрат Цикла Кребса) + АДФ + Фн.

Функции

1. Интегративная функция — цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма.
2. Катаболическая функция  — превращение различных веществ в субстраты цикла:
• Жирные кислоты, пируват,Лей,Фен — Ацетил-КоА.
• Арг, Гис, Глу — α-кетоглутарат.
• Фен, тир — фумарат.
3. Анаболическая функция  — использование субстратов цикла на синтез органических веществ:
• Оксалацетат — глюкоза, Асп, Асн.
• Сукцинил-КоА — синтез гема.
• CО₂ — реакции карбоксилирования.
4. Водорододонорная функция  — цикл Кребса поставляет на дыхательную цепь митохондрий протоны в виде трех НАДН.Н⁺ и одного ФАДН₂.
5. Энергетическая функция  — 3 НАДН.Н⁺ дает 7.5 моль АТФ, 1 ФАДН₂ дает 1.5 моль АТФ на дыхательной цепи. Кроме того в цикле путем субстратного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ, а затем из него синтезируется АТФ посредствам трансфосфорилирования: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.

Реакцией, лимитирующей скорость оборота цикла, является синтез лимонной кислоты, катализируемый аллостерическим  ферментом цитратсинтетазой. Источником ацетил-КоА, который идет на синтез метаболитов цикла, является продукт  цикла – лимонная кислота –  легко переходящая в цитоплазму через мембрану. Как правило, из ЦТК  на нужды биосинтеза уходит значительное количество метаболитов, и пополнения их фонда и функционирования полного  цикла в клетках существуют дополнительные возмещающие ферментативные механизмы, например глиоксилатный шунт. В последнем, в отличие от ЦТК, уксусная кислота  расходуется на синтез. Следовательно, первой реакцией ЦТК является конденсация  ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой, катализируемая цитратсинтетазой. Именно активность этого фермента является контролирующим параметром, определяющим скорость метаболического потока в  цикле. Ингибирующий эффект на цитратсинтетазу  оказывает НАДН и сукцинил-КоА. Но основное влияние на скорость синтеза  лимонной кислоты оказывает поступление  субстрата (щавелевоуксусной кислоты). Так как непрерывная «работа» ЦТК требует реокисления восстановленных  эквивалентов (используются 4 пары дегидрогеназ), максимальная скорость цикла наблюдается  в условиях достаточного доступа  кислорода в клеточную систему (т.е. при хорошей аэрации). 
 
Аэрация имеет критическое значение для глубинной ферментации. Пропускание чистого О₂ увеличивает образование лимонной кислоты, но это дорого; газовая фаза может циркулировать, если при этом поглощается СО₂. Прерывание аэрации на короткое время может иметь губительное действие на продукцию лимонной кислоты, но если при этом повысить рН с 3,0 до 4,0, то ферментация может начаться снова. У грибов различают трофофазу, которая характеризуется ростом мицелия и активным дыханием с выделением СО₂, и идиофазу (продукционную фазу), когда рост завершен, дыхание подавлено, а оставшаяся глюкоза перерабатывается во вторичные метаболиты; в данном случае в лимонную или другие кислоты. 
 
Образование лимонной кислоты может быть условно разделено на три процесса: 1 – разложение гексоз до пирувата и ацетил-КоА при гликолизе, 2 – анаплеротическое образование оксалоацетата из пирувата и СО₂ и 3 – аккумуляция цитрата в ЦТК. А. niger разлагает глюкозу по гексозодифосфатному (80%) и гексозомонофосфатному пути.

При работе первого пути СО₂,образованная в результате декарбоксилирования пирувата, фиксируется при анаплеротическом образовании оксалоацетата. (При работе гексозомонофосфатного пути СО2 не фиксируется). Наряду с гликолизом у A. niger частично реализуется и другой путь окисления углеводов — пентозофосфатный, называемый также пентозным, гексозомонофосфатным, или фосфоглюконатным. Общим с гликолизом исходным продуктом является глюкозо-6-фосфат, но в дальнейшем их пути расходятся: фермент фосфофруктокиназа определяет дихотомический путь, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа — апотомический. Конечными продуктами процесса являются 3-фосфоглицериновый альдегид и рибозо-5-фосфат. Первый из них по реакциям гликолиза превращается в пировиноградную кислоту, поэтому пентозофосфатный цикл рассматривается как шунт гликолитического пути. Основное назначение цикла — снабжение клетки НАДН₂, необходимой для восстановительных реакций синтеза липидов и стероидов, и пентозами, в основном рибозой, используемой в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Биохимическая схема синтеза лимонной кислоты. Фермент аконитаза, участвующий в расщеплении цитрата в ЦТК, снижает его продукцию. Считали, что при дефиците Fe или при добавлении Cu происходит ингибирование аконитазы и соответственно увеличение выхода цитрата. Однако аконитаза катализирует реакцию, сильно сдвинутую в сторону образования цитрата, и необходимости в ее ингибировании нет. Другой фермент – НАДФН-зависимая изоцитратдегидрогеназа, которая теоретически должна способствовать снижению аккумуляции лимонной кислоты, ингибируется цитратом. Правда, у А. niger имеется еще один аллостерически НАД-связанный фермент – изоцитратдегидрогеназа, которая активируется цитратом.

Гексозомонофосфатный путь и гликолиз имеют много общих  ферментов. Таким образом, оба пути могут реализовываться в клетке одновременно. При превращении 6 молекул  глюкозо-6-фосфата по гексозомонофосфатному  пути суммарный эффект будет тот  же, что и при окислении 1 молекулы гексозы в СО₂ по пути гликолиза и ЦТК. В процессе разложения глюкозы образуются промежуточные соединения: манит, арабит, эритрит, глицерин.Образование лимонной кислоты тесно связано со скоростью фиксации СО₂. Фиксацию СО₂ у А. niger осуществляет конститутивный фермент пируваткарбоксилаза. Существуют почти стехиометрическое отношение между фиксацией СО₂ и продукцией цитрата.

Реакция превращения щавелево-уксусной кислоты в лимонную:

 
 
 
Задание 6

Переваривание липидов  в желудочно-кишечном тракте животных. Напишите уравнение реакции гидролиза  триглицерида липазой.